EP2598894A1 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung mindestens einer beschleunigung sowie ein entsprechendes computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares speichermedium sowie verwendung einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erfassung mindestens einer beschleunigung sowie ein entsprechendes computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares speichermedium sowie verwendung einer solchen vorrichtung

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EP2598894A1
EP2598894A1 EP11749107.6A EP11749107A EP2598894A1 EP 2598894 A1 EP2598894 A1 EP 2598894A1 EP 11749107 A EP11749107 A EP 11749107A EP 2598894 A1 EP2598894 A1 EP 2598894A1
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EP
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acceleration
mass
acting
elements
component
Prior art date
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Jens Hansen
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First Sensor AG
Original Assignee
First Sensor AG
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Publication date
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G—PHYSICS
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G—PHYSICS
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for detecting at least one acceleration and a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium.
  • the invention further relates to the use of a device suitable for the separate detection of a static and a dynamic acceleration and to a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium, the use in particular comprising the analysis and / or control of movements.
  • Dynamic recorders are increasingly being used, whether as a tachograph, for navigation, for controlling machines, for detecting movements in sports or for controlling computer games.
  • All conventional sensors can therefore be used only with restrictions, for example if an acceleration form is negligibly small, an acceleration course is known or if its time behavior is so different that electronic filtering becomes possible, for example when detecting higher-frequency vibrations.
  • the common principle of all conventional acceleration sensors is the measurement of the force, which by applying an acceleration to a spring or elastically mounted mass element arises.
  • the only way to separate the two types of acceleration is to use a gyroscope system, as the gyroscopic plane is independent of the gyro's support plane and accelerations.
  • gyro systems Due to the extremely complex mechanics required to realize the rotating system, gyro systems are only suitable for a limited number of applications. It is also not possible to detect the angle of the sensor with respect to the horizontal plane via gyrators since these only detect short-term angle changes, ie relative values and not absolute values.
  • a device which comprises at least one base plate and at least two sensors is used to determine the static and dynamic acceleration components.
  • the sensors each comprise a mass element and an elastic support element and are connected via the elastic support element to the at least one base plate.
  • the elastic support elements are deflectable in one plane (sensor plane).
  • the sensors are arranged so that the elastic support elements are deflected in a common or in parallel planes under the effect of acceleration.
  • the sensors are provided with measuring points to detect the deflection.
  • Deflection can be capacitive, inductive, resistive, opto-electronically detected or on any other suitable type can be detected by suitable sensors.
  • the support elements of at least one first and at least one second mass element are designed such that they have a relation to a
  • Reaction characteristic i. Characteristic curve, but with respect to an acceleration component acting in a direction perpendicular to the first direction
  • the first or second direction is the direction in which a static acceleration acts like the gravitational acceleration.
  • the support elements on different reaction characteristics with respect to movement and gravitational acceleration.
  • At least two pairs of first and second supporting elements comprising mass elements are used.
  • the at least two pairs are arranged mirror-symmetrically to one another. It proves to be advantageous if the axis of symmetry or straight line is perpendicular to the base plate.
  • Embodiment provided that three such pairs are arranged, wherein the three sensor planes each perpendicular to each other.
  • At least one group of support elements is arranged with mass elements, wherein the group comprises two first and one second support element with mass element or a first and two second support elements with mass elements.
  • the double-existing support elements with mass elements of a group are arranged mirror-symmetrically to one another.
  • At least two groups of support elements are arranged with mass elements, wherein the groups each comprise a first and a second support element with mass element. At least part of the at least two groups is arranged such that the first and second support element with mass element of a first group are arranged mirror-symmetrically to the first and second support element with mass element of a second group.
  • At least two sensors are provided which consist of a base plate and an elastic support arranged on it ("support” will be used interchangeably with “support element” hereinafter), to which at least one mass element is attached, and on which at least a measuring point is provided, via which the deflection of the support or the force resulting therefrom due to acceleration forces on the mass element, electronically or mechanically detected, and which have the same orientation on acceleration forces in a plane perpendicular to the base plate, and which are shaped in that the sensors have different response characteristics to motion and gravitational acceleration, wherein the different reaction characteristics are so pronounced that when normalizing the sensor output signals to equal responses to acceleration components pa Rallel to the base plate in the direction of the sensor orientation, the reaction to gravitational forces in the sensors in a quadrant are very different and in the other quadrant only relatively slightly different, so that compensated by a mathematical combination of the sensor output signals the same acceleration components to the base plate and the Course of the gravitational force allows a clear correlation between gravitational force and output signal.
  • a device for determining a movement process with static and dynamic acceleration components comprises at least two sensors with mass elements, which are arranged on at least one base plate each with an elastic support and the deflectable in one or parallel planes by acceleration forces wherein the plane or planes including the at least one baseplate are at a 90 ° angle and wherein the supports have dynamically or statically the same response characteristics for one of the acceleration forms and a different reaction characteristic for the other acceleration form and the deflections of the supports or equivalent physical quantities Measuring points can be detected and computationally processed.
  • the static acceleration caused by the inclination of the base plate to the horizontal plane in the alignment plane of the sensors is determined.
  • Static acceleration components in the sense used here are gravitational accelerations.
  • Horizontal and vertical accelerations in the sense used here are motion or dynamic acceleration components.
  • the plane or planes in which the deflection takes place or in which the mass elements oscillate are called the sensor plane.
  • Quadrant is a section of the sensor plane. Specifically, the first quadrant includes angle values from 0 ° to 90 °, the second quadrant angle values from 90 ° to 180 °, the third quadrant angle values from 180 ° to 270 °, the fourth quadrant angle values from 90 ° to 180 °, the third quadrant angle values from 270 ° to 360 °.
  • An inventive device for determining a movement process with static and dynamic acceleration components consists of at least two sensors with their mass elements, which are arranged on at least one base plate and each with an elastic support.
  • the mass elements are deflectable in one or parallel planes (sensor plane) by acceleration forces, wherein the plane or planes with the at least one base plate include a 90 ° angle and wherein the supports for one of the acceleration forms dynamically or statically the same and for the other form of acceleration a different reaction characteristic have and the deflections of Abstützungen or equivalent physical quantities can be detected at measuring points and computationally processed.
  • the support of the mass elements may be made on a common base plate or, which may be particularly important for the micromechanical design of importance, on different base plates. It is essential that the deflections of the mass bodies involved take place in a common or in parallel planes and the base plates of the sensors included in the measuring process for these planes are arranged parallel to one another.
  • base plate is thus below either a common base plate of the sensors or parallel to each other base plates.
  • the angle between the horizontal and the base plate, which is caused by a change in position of the sensor, is denoted by (a).
  • the angle (a) is, as will be explained below, associated with the gravitational force, which finds its expression in characteristics.
  • This value (a) is determined for a movement in the coordinate system X-Y.
  • at least one further sensor arrangement in the coordinate system Y-Z and / or X-Z is thus necessary.
  • Measured equivalent physical quantities for displacement e.g. Capacitive, optical, opto-electronic or inductive can also be directly measured forces (for example, piezoelectrically detected forces) or deformations.
  • An advantage for the measuring method is when the lower part of the supports of the sensors is made at an angle ( ⁇ ) with respect to the base plate, wherein the angle ( ⁇ ) should not be equal to 90 °.
  • two sensors For measurements in one quadrant and negligible vertical acceleration, two sensors whose supports are the same for one of the acceleration modes (dynamic or static) and different in response to the other acceleration mode are arranged on the baseplate.
  • four sensors with mass elements are arranged on supports in one or parallel planes (sensor planes), whereby two sensors form a pair, whose supports are identical for one of the acceleration forms (dynamic or static) and one for the other acceleration form have different reaction characteristics.
  • the pairs are preferably arranged mirror-symmetrically relative to one another with respect to the base plate.
  • three sensors are used instead of four sensors with mass elements.
  • a sensor takes on a double function in this embodiment by forming a pair for the metrological evaluation with the respective other sensor.
  • the sensors for the measurement in one and / or more quadrants are preferably arranged in sensor blocks.
  • the metrological processing of the measured quantities for the determination of the acceleration components is based on the elimination of acceleration components by mathematical processing of the simultaneously measured deflections of the sensors, referred to below as mathematical elimination. This can be done in the simplest case by difference, but is not limited thereto. Do the sensors z. B. deviations in the value (ß), in the mass quantities, etc., it may be necessary to enhance measured values or otherwise edit, so that in the respective difference formation provided for the elimination acceleration component is actually eliminated.
  • a device according to the invention is used, i. a device for detecting at least one
  • Acceleration comprising at least one base plate and at least two mass elements, each mass element is connected via an elastic support member to the at least one base plate, and wherein the support elements in a common plane or in parallel planes are deflectable and the at least two mass and / or support elements at least one each
  • the invention in particular a dynamic and a static acceleration, it is provided according to the invention to detect the deflection of at least one first and at least one second mass and / or support element. This is done in particular by using data, such as capacitive, inductive, resistive, optoelectronic values or the like., Which describe the deflection. The deflection is detected in particular for at least one of the measuring points.
  • the data describing the deflection of the at least one first and at least one second mass and / or support elements are evaluated in order to eliminate the component acting in the first direction. This is possible because the support elements are designed to be the same with respect to the acceleration component acting in the first direction
  • the result of the evaluation ie the result adjusted by the component acting in the first direction
  • the result adjusted for the component acting in the first direction is called static Acceleration and the component acting in the first direction is detected as dynamic acceleration.
  • the evaluation is done online.
  • the aforementioned device which is supplemented by at least one first support element with measuring element and thus has at least three support elements with measuring element. It is provided that the support elements of at least two first and at least one second
  • Mass element are designed such that the support elements of the at least two first mass elements and the support element of the at least one second mass element in the measuring points with respect to a first, acting in a first direction component acting in the common plane or in the parallel planes acceleration same reaction characteristics and in a second component of the second component which does not act in a manner perpendicular to the first component
  • Supporting elements and associated with the second support element data By the first and second evaluation, respectively, the component of the acceleration acting in the first direction is eliminated. Subsequently, the results of the first and second evaluation, which have been adjusted for the component acting in the first direction, are in turn evaluated in order to determine the ones acting in the second direction
  • At least two second supporting elements with a measuring element wherein at least a part of the at least two second supporting elements with a measuring element are arranged mirror-symmetrically to each other.
  • At least two sensors are provided with mass elements to determine a movement process with static and dynamic acceleration components, which are arranged on at least one base plate each with an elastic support and in each case in a parallel or perpendicular to the base plate Planes are deflected by acceleration forces, the supports for one of the acceleration forms dynamically or statically the same and for the other form of acceleration have a different reaction characteristics, and wherein the deflections of the supports or equivalent physical quantities are detected at measuring points at the same time and a mathematical elimination of the in these measurements contained acceleration components, such that initially by pairwise mathematical combination of two sensors, the acceleration forces in Lä Subsequently, the vertical acceleration is eliminated by mathematically linking the values obtained from these acceleration pairs, so that the gravitational acceleration remains as an isolated quantity, in whose knowledge the vertical acceleration and subsequently the longitudinal acceleration are detected back.
  • each two supports are arranged the same but mirror symmetry and the deflections of the supports or equivalent physical quantities at measurement points are detectable and computationally processable, with the following method steps : the deflection or another physical quantity of at least one measuring point of the respective sensors is measured simultaneously under acceleration conditions and the measured values are subjected to a mathematical elimination of acceleration components which comprises at least
  • the dynamic acceleration component which is directed parallel to the base plate, is eliminated by mathematically combining the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors as a pair and the mirror-like sensors as another pair,
  • the acceleration component acting vertically to the base plate is eliminated by a mathematical link between the values of the pairs of sensors which are adjusted by the dynamic acceleration element parallel to the base plate,
  • angle (a) of the base plate relative to the horizontal is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate and the vertical acceleration (VB) to the base plate.
  • Another preferred method for determining a movement process with static and dynamic acceleration components provides two sensors with mass elements which are arranged on a base plate each with an elastic support and in one or parallel planes perpendicular to the base plate are deflected by acceleration forces, the Supports for one of the acceleration forms have the same dynamic or static and for the other form of acceleration have a different reaction characteristics, with the following process steps:
  • the deflection or other physical quantity of at least one measuring point of the sensors is measured simultaneously under acceleration conditions in which the vertical acceleration is negligible, and the measured values are subjected to a mathematical elimination of
  • Subjected acceleration components which at least comprises the dynamic acceleration component, which is directed parallel to the base plate, is compensated by a mathematical combination of the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors, and the thus determined angle (a) of the base plate relative to the horizontal is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate.
  • Another preferred method for determining a general movement process with static and dynamic acceleration components with at least three sensors (with negligible vertical acceleration and at least two sensors) each with mass elements which are arranged on at least one base plate each with an elastic support and in one or Parallel to each perpendicular to the base plate located planes are deflected by acceleration forces, the supports for one of the acceleration forms dynamically or statically have the same and the other form of acceleration a different reaction characteristic, provides that the deflections of Abstützeben or equivalent physical quantities are detected at measuring points at the same time and a mathematical elimination of the acceleration components contained in these measured values takes place, such that first by pairing of two sensors, the acceleration forces are eliminated in the longitudinal direction and then by combining the values obtained from these pairs of acceleration, the vertical acceleration is eliminated, so that as an isolated variable, the gravitational acceleration remains, in the knowledge of the vertical acceleration and then the longitudinal acceleration are detected back.
  • the system has a self-control mechanism with regard to the correct arrangement of the sensors and their reaction normalization to an acceleration mode, preferably the longitudinal acceleration.
  • Such a device which is suitable for the separate detection of a static and a dynamic acceleration, can be used according to the invention to at least one positional parameter of at least parts of the device in space to investigate.
  • These attitude parameters may be location and / or orientation values in the area or in space.
  • a preferred embodiment of the invention provides that static and dynamic acceleration are separated to isolate the at least one position parameter and, in particular, the gravitational and kinetic acceleration are isolated over all quadrants.
  • the position determination comprises a determination of a component of the acceleration which is caused by the gravitation.
  • the gravitational acceleration is thus separated from the total acceleration detected by the device. This proves particularly advantageous because such a movement of the device with respect to a reference coordinate system, in particular with respect to the horizontal or vertical, can be detected.
  • the use includes control of processes. This proves particularly advantageous in the control of computer-based applications, such as computer games.
  • the use comprises an analysis of general movements of bodies.
  • the movement is assigned a specific function and / or technical means are controlled in order to carry out a desired movement by the technical means.
  • the movement takes place with the aid of a control loop.
  • the device for detecting and analyzing movements in the sports sector.
  • the device can be integrated in a sports device and / or in sportswear.
  • Another advantageous use is the analysis of movements for training purposes.
  • Another advantageous use of the device is in the field of personal monitoring.
  • daily profiles of a person about their basic states such as, for example, activities, rest / activity phases, movements underlying a basic state or the like, can be created.
  • a preferred use is to detect changes in the position of an object, which are understood to mean changes in the position and / or orientation of the object. This proves particularly advantageous in the detection of movements of transported objects relative to the movement of the means of transport. In particular, the slipping or skewing of a transported object with respect to the means of transport can be detected.
  • Another preferred use is to detect an inclination of an object. This proves to be particularly advantageous in the monitoring of objects that are stored dynamically.
  • Such dynamically mounted objects may be, for example, ground, airborne or waterborne vehicles, the movement of which being superimposed by air or water movements, so that not only a movement acceleration but also an inclination change occurs.
  • Another preferred use provides that the position (position and / or orientation) of an object is stabilized. This proves to be particularly advantageous for the stabilization of aircraft.
  • the writing movement is analyzed.
  • one use of the device is also to record and / or document the separated static and dynamic acceleration components of motions and to reconstruct movements.
  • a reconstruction of the motion associated solely with the static acceleration component or the motion associated solely with the dynamic acceleration component proves to be advantageous.
  • a computer program allows a data processing device, after being loaded into storage means of the data processing device, to perform a method for detecting at least one acceleration, using a device comprising at least one base plate and at least two mass elements, and wherein each mass element via an elastic support member with the at least one base plate is connected, the support elements are deflectable in a common plane or in parallel planes, and the at least two mass and / or support elements each have at least one measurement point, and wherein the support elements of at least one first and at least one second mass element are designed such the support element of the at least one first mass element and the support element of the at least one second mass element have the same reaction characteristic in the measuring points with respect to a first component acting in a first direction of an acceleration acting in the common plane or in the parallel planes, and in the first direction Component acting second component of the acceleration of each other have different reaction characteristics, and wherein the deflection of the measuring points descriptive data of at least a first and at least one second mass and / or support element detect
  • a computer program allows a data processing device, after being loaded into storage means of the data processing device, to perform a method for detecting at least one acceleration, using a device comprising at least one base plate and at least three mass elements, and wherein each mass element is connected to the at least one base plate via an elastic support element, the support elements are deflectable in a common plane or in parallel planes, and the at least three mass and / or support elements each have at least one measurement point, and wherein the support elements at least two first and at least one second mass element are designed such that the support elements of the at least two first mass elements and the support element of the at least one second mass element in the measuring points with respect to a first in a first-acting component of an acceleration acting in the common plane or in the parallel planes, the same reaction characteristic and a second component of the acceleration acting in a manner incongruous to the first component has different reaction characteristics from one another, and wherein the displacement of the measuring points detects data describing at least two first and at least one second mass
  • a computer program according to a third aspect of the invention configures a device capable of separately detecting a static and a dynamic acceleration after the computer program has been loaded into storage means of the device such that the device is usable for use with an analysis of movements , wherein at least one position parameter is determined at least by parts of the device in the room.
  • the computer program according to the invention has a modular structure, wherein individual modules are installed on different parts of the data processing device.
  • Advantageous embodiments additionally provide computer programs by which further method steps or method sequences specified in the description can be executed.
  • Such computer programs can be made available for download (for a fee or free of charge, freely accessible or password-protected) in a data or communication network, for example.
  • the computer programs thus provided can then be made usable by a method in a computer program according to claim 9 from an electronic data network, such as from the Internet, is downloaded to a connected to the data network data processing device.
  • a data processing device to carry out a method for detecting at least one acceleration using a device is, which comprises at least one base plate and at least two mass elements, and wherein each mass element is connected via an elastic support member to the at least one base plate, the support elements in a common plane or in parallel planes are deflectable and the at least two mass and / or Supporting elements each have at least one measuring point, and wherein the support elements of at least one first and at least one second mass element are designed such that the support element of the at least one first mass element and the Abst tzelement of the at least one second mass element in the measuring points with respect to a first, acting in a first direction component acting in the common plane or in the parallel planes acceleration same reaction characteristic and in a senkecht to the first component acting second component of the acceleration from each other have different reaction characteristics ,
  • a computer-readable storage medium on which a program is stored which makes it possible for a data processing device to after being loaded into storage means of the data processing device, perform a method of detecting at least one acceleration, using a device comprising at least one base plate and at least three mass elements, and wherein each mass element is connected to the at least one base plate via an elastic support element in that the support elements are deflectable in a common plane or in parallel planes, and the at least three mass and / or support elements each have at least one measurement point, and wherein the support elements of at least two first and at least one second mass element are designed such that the support elements of at least two first mass elements and the support element of the at least one second mass element in the measuring points with respect to a first, acting in a first direction component of one in the common plane or in the parallel planes act the acceleration of the same reaction characteristic and in a senkechtcht acting on the first component second component of the acceleration have different reaction characteristics
  • a computer-readable storage medium having stored thereon a program which has a device suitable for the separate detection of a static and a dynamic acceleration after the computer program has been loaded into storage means of the device, that the Device for use is available, wherein an analysis of movements takes place, wherein at least one position parameter is determined at least of parts of the device in space.
  • FIG. 1 shows the device for determining a movement process with static and dynamic acceleration components on a base plate 7 which is inclined by the angle (a) to the horizontal 11 in a mechanical design with four sensors 1-4.
  • the acceleration variables which can be determined by means of the sensor block with the sensors 1 - 4 are
  • Each of the four sensors 1 - 4 has a mass element 5 or 6, which are each arranged on the base plate 7 with an elastic support 8, 9 and in a plane perpendicular to the base plate 7, the sensor plane, are deflected by acceleration forces.
  • two Abstützept are the same but arranged mirror-symmetrically.
  • a key position for the universal functioning of the proposed device is the Abstützept 8, 9 of the mass elements 5, 6 to.
  • These supports 8, 9 of the respective pair-forming sensors 1, 2 and 3, 4 must satisfy the condition for one of the acceleration forms to have the same dynamic or static and for the other form of acceleration a different reaction characteristic.
  • the illustrated embodiments of the sensor pairs 1, 2 and 3, 4 meet this condition by the support 8 is a bar 8.1 or a strip 8.1, wherein in a strip 8.1 this is elastically deformable in the strip plane.
  • the support 9 is formed by an angled or bent rod or strip with sections 9.1, 9.2.
  • the evaluation method is based on a mathematical elimination of acceleration components, for example by a difference between the simultaneously measured measured values for the deflection or another equivalent physical size of the measuring points 10 as a result of the effect of acceleration, it is expedient, wherever possible, to provide structural conformity and optimized configurations .
  • the section 9.1 of the rod or strip of the support 9 in the initial region of the base plate 7 seen in the form and the deformability corresponds to the rod or strip 8.1.
  • the angled section 9.2 to section 9.1 includes an angle of 90 °.
  • the two sections 9.1, 9.2 have a different length, preferably the section 9.2 is longer than the section 9.1.
  • Fig. 2 shows a half sensor block with the characteristics of the reaction characteristics of the sensors 1 and 2, wherein the characteristics of the sensors 3 and 4 are mirror-inverted, so that was dispensed with a separate presentation.
  • the sensors 1 and 2 are shown, and below, the respective gravitational acceleration characteristics with respect to the output signal (AW), which is measured at the measuring point 10 and subsequently processed by mathematical elimination of acceleration components.
  • AW output signal
  • the supports 8, 9 of each pair forming sensors 1, 2 and 3, 4 must satisfy the condition for one of the acceleration forms dynamically or statically have the same and for the other form of acceleration a different reaction characteristic.
  • the characteristic curve for static acceleration ie for different position angles of the sensor block with respect to the horizontal plane, is given at sensor 1 or 4 by the change of the gravitational force perpendicular to the rod plane. This results in the left curve shown in Fig. 2.
  • the characteristic curve of the sensor 1 or 4 is superimposed on a further proportion, which results from the acting as a lever angled section 9.2. This shows the characteristic curve shown on the right in FIG. A detailed explanation will be given below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the dynamic acceleration component directed parallel to the base plate 7 (longitudinal acceleration) is compensated for by subtracting the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors 1 and 2 as a pair and the mirror-symmetric sensors 3 and 4 as further Couple takes place.
  • the prerequisite for this is that the sensors 1 to 4 are each normalized to the same reaction to longitudinal acceleration.
  • the prerequisite for obtaining meaningful calculation results is further that the gravitational characteristics of the sensors 1 to 4 in the two quadrants have characteristic curves that deviate from each other. The greater the deviation, the lower are the influences resulting from manufacturing tolerances, measurement errors in the measurement of the deflection, etc.
  • the sensors 1 and 2 of the first sensor pair shown in FIG. 2 fulfill these conditions.
  • the selected angle ß is about 30 ° and the length of the leg 9.2 corresponds to about three times the length of the leg 9.1 and the rod support 8.1.
  • the longitudinal acceleration acting on the sensor 1 only in the form of a shear bend, superimposed on sensor 2 shear bending and torque bending.
  • an amplification of the output signal by a certain factor is thus necessary.
  • FIGS. 3a and 3b show the difference profile of the gravitational courses of the sensors after the 1st difference formation.
  • the upper characteristic corresponds to the difference between the sensors 1 and 2 and the average characteristic (FIG. 3 b) of the difference formation from the sensors 3, 4.
  • the dynamic acceleration component acting vertically to the base plate 7 is compensated by a difference between the values of the sensor pairs 1, 2 and 3, 4 adjusted by the dynamic acceleration component directed parallel to the base plate 7, likewise in the simplest case by subtraction or, where necessary, by a level adjustment of Measured values before the subtraction, in order to actually eliminate the measured value component of the vertical dynamic acceleration.
  • the vertical acceleration component can be subtracted, since the same acceleration force acts on each sensor, consequently also in the differential gradients after the 1st difference formation the same vertical acceleration components are included.
  • the vertical dynamic accelerations cancel each other to the base plate 7, shown in Fig. 3a and 3b.
  • the proportions of the static acceleration as a previously unknown quantity are also included in the abovementioned differences as a component of the measured values of the individual sensors 1-4. After the abovementioned eliminations, this value remains as the difference value to which a certain value (a) belongs.
  • FIG. 3c shows the complete characteristic curve of the difference values.
  • the thus determined Wnkel (a) of the base plate 7 relative to the horizontal 1 1 is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate 7 and the vertical acceleration (VB) to the base plate 7.
  • the determination of a movement process with static and dynamic acceleration components is provided in which the vertical acceleration is negligible and where only one quadrant is of interest, it is possible to work with two sensors 1-2, the sensors 1, 2 being arranged as described above and the supports 8, 9 for one of the acceleration forms have the same dynamic or static and for the other form of acceleration a different reaction characteristic.
  • the deflection or another physical quantity of at least one measuring point 10 of the sensors 1, 2 is measured simultaneously under acceleration conditions in which the vertical acceleration is negligible and the measured values are subtracted, which comprises at least: the dynamic acceleration component directed parallel to the base plate 7 is compensated by subtraction, in the simplest case a Subtraction of the measured deflection values or the equivalent physical quantities of the sensors 1 and 2 takes place.
  • the thus determined Wnkel (a) of the base plate 7 relative to the horizontal 1 1 is used to determine the parallel acceleration (PB) to the base plate 7, which is done computationally.
  • Fig. 4 shows a sensor block with three sensors 12-14 as an advantageous embodiment of the aforementioned embodiment with four sensors 1-4.
  • the sensor 12 assumes a dual function in this arrangement. It is once part of the sensor pair 12, 13 and once part of the sensor pair 12, 14th
  • the inclination of the support 9.1 of the sensor 12 has an inclination angle to the base plate 7 of, here 60 °.
  • the lengths of the rod supports 8.1 of the sensors 13 and 14 are equal to the length of the section 9.1 from the sensor 12, while the length 9.2 of the sensor 12 corresponds to three times the length of the section 9.1.
  • the same reaction i. Deflection to longitudinal acceleration in the sensor output signal as obtained with sensor 12 is an amplification of the output signal by a certain normalization factor necessary.
  • this is calculated for the longitudinal acceleration, for example, to 5.6, which are to be considered in the sensor 12, the shear bend and the moment bending, while the longitudinal acceleration acts on the sensors 13 and 14 only in the form of a shear bend and is still the same ,
  • FIG. 5 shows by way of example the gravitational characteristics for a sensor block with the sensors 12 to 14 according to FIG. 4.
  • the gravitational characteristic for elastically supported masses has a sinusoidal course, as shown in Fig. 5 a and b.
  • the operating ranges of the sensors 13 and 14 are indicated by S13 and S14. The same applies to sensor 12 with the working area S12.
  • Fig. 5a the resulting characteristic of the sensor 12 is shown under the influence of gravity.
  • FIG. 6 shows the stepwise mathematical elimination of the individual acceleration components.
  • FIGS. 6c and 6d show the characteristic difference formation of sensor 14 and sensor 12 and FIG. 6d the difference formation of sensors 13 and 12.
  • the representation in FIG. 6d has already been normalized to the same vertical acceleration as the characteristic curve in FIG. 6c, so that in the 2nd difference formation, the vertical acceleration is actually eliminated.
  • This standardization also adapts the levels of the differential characteristics. Since the reaction to vertical accelerations at sensor 14 and sensor 13 is greater than that at sensor 12 because of the normalization factors with respect to equal longitudinal acceleration, the signs of the difference formation are given by these sensors. The difference between sensor 14 and sensor 12 is therefore negative, that of sensor 13 and sensor 12 is positive, which means that in the second difference formation the values have to be added in order to eliminate the vertical acceleration.
  • FIG. 6 e shows the result of the second difference formation, so that a specific sensor output signal (a) can be assigned to a measured sensor output signal.
  • the thus determined Wnkel (a) of the base plate 7 relative to the horizontal 1 1 is used to determine the vertical (VB) and the parallel (PB) acceleration to the base plate 7, which is done computationally.
  • the desired gravitational characteristic curve can thus also be achieved by mathematical linking, wherein slight level adjustments for eliminating the longitudinal as well as the vertical acceleration do not influence the characteristic of the gravitational characteristic.
  • FIG. 7 shows a first model embodiment for a micromechanical design with 2 sensors.
  • the arrangement of the sensors 1, 2 is formed as a three-dimensional microstructure in a carrier material with mass elements 5, 6 and elastic Abstützept 8, 9, wherein preferably monocrystalline silicon (Si) or quartz or glass or a lacquer is used as support material.
  • the support 8 of the mass 5 is also in the micromechanical embodiment, a rod 8.1 or a strip 8.1, wherein in a strip 8.1 this is elastically deformable in the strip plane.
  • the support 9 of the mass 6 is replaced by a angled or bent rod or strip formed with sections 9.1 and 9.2.
  • the three-dimensional microstructure of the sensors is formed in a trough of the carrier material, with trough walls forming a baseplate 7.
  • the three-dimensional microstructure of the sensors can be arranged in a common frame of the carrier material or in a frame for each sensor or for sensors, wherein one or two parallel frame sides each form the base plate 7.
  • the three-dimensional microstructure of the sensors is executed encapsulated, preferably vacuumable. This has the advantage that reading-distorting gas resistors can be excluded.
  • the electronics for evaluating the measurement results are integrated into the carrier material in addition to the sensors.
  • the preparation of the three-dimensional microstructure can be carried out by conventional methods such as bulk micromachining, the LIGA technique, embossing or electroerodizing, without being limited to these methods.
  • Conceivable In an analysis of movements, to assign a specific function to the movement. Conceivable is the triggering of switching on and off operations and other more complex functional processes by hand and / or other body movements. This includes reading of sign language and writing recognition.
  • the device for separate detection of a static and a dynamic acceleration suitable (hereinafter also called dynamic recorder) is intended to use the device as a trip or accident data recorder.
  • a dynamic recorder is intended to use the device as a trip or accident data recorder.
  • the movements of these vehicles are influenced by significant influences by dynamic processes. In these vehicles, inclinations, air or water movements cause skew changes in addition to the acceleration of movement.
  • a separation of the acceleration forms is required. By recording the dynamic values, for example, accidents can also be reconstructed.
  • Another field of application of the device is the movement detection of goods to be transported.
  • the separation of static and dynamic acceleration is required here to detect inclinations, slippage of cargo as well as other position changes in order to trigger signaling if necessary.
  • Another exemplary use provides for the motion detection of machines and / or construction vehicles.
  • the separation of the acceleration forms is essential, since the terrain and wind and soil influences, for example, changes in position of equipment and loads.
  • Another exemplary use of the dynamics recorder is in the navigation, in particular the detection and stabilization of a position of a vehicle.
  • the separation of the acceleration forms is a prerequisite.
  • Another exemplary use is the separate detection of attitude angle to the horizontal plane and movement of the robot arms, which is essential for any type of robot activity.
  • the use of the dynamic recorder in sports is provided. Almost every movement in the sports sector includes static and dynamic acceleration components. For recording and recording these acceleration components, it is provided in an exemplary embodiment to integrate at least one dynamic recorder into garments or sports equipment or to combine them with them. For example, it may be provided to load the dynamic recorder e.g. in sports shoes, tennis, golf and / or hockey sticks, in skis, in boxing gloves, etc. to integrate. The resulting records would be useful for training, reporting, testing and documenting their own performance.
  • Another example of using the device capable of separately detecting static and dynamic acceleration is person motion detection.
  • Analog to the movements in the sports sector even with movements, for example, on the wrist both types of acceleration. From an analysis of these movements can be derived statements about the causes of movement, from which a kind of daily profile with the basic states of the person (lying, sitting, standing, walking, running, sports) and with more specific specifications of the activities performed and the subordinate movements (eg. B. driving) can be created.
  • a dynamic recorder could be integrated into a watch, for example.
  • a dynamic recorder could be integrated in the front of a pen.
  • the use of the dynamic recorder in the computer games area is provided. Also for computer games, in which movements of persons significantly determine the game, can by integrating static and dynamic acceleration of the movement of a player these player movements true to nature in the game and thus enable completely new types of games.

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Abstract

Vorrichtung, Verfahren, Computerprogramm und computerlesbares Speichermedium zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung, welche mindestens eine Grundplatte (7) und mindestens zwei Masseelemente (5, 6) umfasst, und wobei jedes Masseelement (5, 6) über ein elastisches Abstützelement (8, 9) mit der mindestens einen Grundplatte (7) verbunden ist und die Abstützelemente (8, 9) jeweils zumindest einen Messpunkt (10) aufweisen. Die Abstützelemente (8, 9) mindestens eines ersten (5) und mindestens eines zweiten Masseelements (6) sind derart ausgelegt, dass das Abstützelement (8) des mindestens einen ersten Masseelements (5) und das Abstützelement (9) des mindestens einen zweiten Masseelements (6) in den Messpunkten (10) bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkrecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen. Die Auslenkung der Messpunkte (10) eines ersten (5, 8) und eines zweiten Abstützelements (9) wird erfasst und ausgewertet. Damit kann zwischen statischer und dynamischer Beschleunigung unterschieden werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung einer zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, wobei die Verwendung insbesondere die Analyse und/oder Steuerung von Bewegungen umfasst. Dynamikrekorder werden in zunehmendem Maße eingesetzt, sei es als Fahrtenschreiber, zur Navigation, zur Steuerung von Maschinen, zur Erkennung von Bewegungen im Sport bis zur Steuerung von Computerspielen.
Die Anwendungsbreite täuscht jedoch über die Tatsache hinweg, dass es sich bei den meisten zu erfassenden Bewegungen um dynamische Sonderfälle handelt, denn konventionelle Beschleunigungssensoren sind nicht in der Lage sogenannte statische Beschleunigung von dynamischer Beschleunigung zu trennen.
Bei dem allgemeinen Fall eines dynamischen Vorgangs jedoch treten beide Beschleunigungsformen in Überlagerungen auf. Die Änderung der Position des zu erfassenden Gegenstandes gegenüber der horizontalen Ebene bestimmt in gleicher Weise den dynamischen Vorgang, wie seine Bewegung.
Sämtliche konventionelle Sensoren können daher nur mit Einschränkungen verwendet werden, etwa wenn eine Beschleunigungsform vernachlässigbar gering ist, ein Beschleunigungsverlauf bekannt ist oder wenn ihr Zeitverhalten derart unterschiedlich ist, dass eine elektronische Filterung möglich wird, etwa bei der Erfassung höher freguenter Vibrationen. Das gemeinsame Prinzip sämtlicher konventioneller Beschleunigungssensoren ist die Messung der Kraft, die durch Einwirkung einer Beschleunigung auf ein federnd oder elastisch gelagertes Masseelement entsteht. Am Markt werden verschiedene Ausführungsformen in Anpassung an unterschiedliche Applikationen hinsichtlich Auflösung, Messbereich, Baugröße, Preis etc. angeboten. So gibt es Sensoren, bei welchen beispielsweise die auf das Masseelement einwirkende Kraft direkt - etwa über ein piezokeramisches Element - und andere, bei welchen diese indirekt über die durch die Kraft hervorgerufene Auslenkungen des elastischen Masseträgers kapazitiv, induktiv, resistiv oder opto-elektronisch erfasst wird. Entsprechend existieren zahlreiche Varianten bei der Realisierung des Trägers des Masseelements. Stand der Technik sind auch verschiedene Realisierungsmöglichkeiten einer hohen Richtcharakteristik sowie orthogonale Positionierungen von Sensoren zur Erfassung der Raumkomponenten von Beschleunigungskräften aus beliebigen Richtungen.
Das sämtlichen Ausführungsformen zugrundeliegende Prinzip lässt jedoch wie o.a. eine Unterscheidung von statischer und dynamischer Beschleunigung nicht zu. Es kann nicht gesagt werden, ob eine auf das Masseelement einwirkende Kraft durch Bewegungsbeschleunigung oder die Gravitation hervorgerufen wird.
Hierdurch lassen sich selbst einfache dynamische Vorgänge, wie das Verrutschen eines Gegenstandes auf einer schiefen Ebene oder eine Handbewegung nicht erfassen.
Die einzige Möglichkeit, die beiden Beschleunigungsformen zu trennen, besteht in der Anwendung eines Kreiselsystems, da die Kreiselebene einen von der Auflageebene des Kreisels und von Beschleunigungen unabhängigen Bezug darstellt.
Aufgrund der äußerst komplexen Mechanik, die zur Realisierung des rotierenden Systems erforderlich ist, sind Kreiselsysteme nur für eine begrenzte Zahl von Anwendungen geeignet. Auch über Gyratoren ist die Erkennung des Winkels des Sensors gegenüber der horizontalen Ebene nicht möglich, da diese nur kurzzeitige Winkeländerungen, also Relativwerte und nicht Absolutwerte erfassen.
Die Realisierung eines Sensorsystems zur Trennung von statischer und dynamischer Beschleunigung mit ausschließlich ruhenden Elementen wird derzeit nicht für möglich gehalten. Zur Umgehung der Kreiseltechnologie werden gegenwärtig Verfahren untersucht, welche auf einer gepulsten Lichtleiterstrecke basieren. Die erforderliche Länge des Lichtleiters liegt jedoch zwischen 200 m und 2 km. Diese Untersuchungen belegen das große Interesse an Alternativlösungen zur Kreiseltechnologie, ohne jedoch bisher zu praktischen Lösungen gekommen zu sein.
Bedingt durch diese Probleme sind auch die Einsatzmöglichkeiten der herkömmlichen Sensorsysteme stark eingeschränkt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium sowie eine Verwendung einer solchen Vorrichtung aufzuzeigen, die die Beschränkungen der herkömmlichen Lösungen aufheben und es insbesondere erlauben, beliebige Bewegungen zu analysieren und dabei statische von dynamischen Beschleunigungskomponenten zu trennen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 , 20, 21 , 27 und 35 bis 28 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Als vorteilhaft für die erfindungsgemäße Verwendung erweist sich der Einsatz einer speziellen Vorrichtung zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung, die im folgenden näher beschrieben werden soll.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten eine Vorrichtung genutzt wird, welche mindestens eine Grundplatte und mindestens zwei Sensoren umfasst. Die Sensoren umfassen jeweils ein Masseelement und ein elastisches Abstützelement und sind über das elastische Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden. Die elastischen Abstützelemente sind dabei in einer Ebene (Sensorebene) auslenkbar. Die Sensoren sind so angeordnet, dass die elastischen Abstützelemente in einer gemeinsamen oder in parallelen Ebenen bei Einwirkung einer Beschleunigung ausgelenkt werden. Die Sensoren sind mit Messpunkten versehen, um die Auslenkung zu erfassen. Die
Auslenkung kann dabei kapazitiv, induktiv, resistiv, opto-elektronisch erfasst oder auf irgendeine andere geeignete Art durch geeignete Sensoren erfasst werden.
Erfindungsgemäß sind die Abstützelemente mindestens eines erstes und mindestens eines zweiten Masseelements so ausgeführt, dass sie bezüglich einer
Beschleunigungskomponente, die in eine erste Richtung wirkt, dieselbe
Reaktionscharakteristik, d.h. Kennlinie, aufweisen, aber bezüglich einer in einer senkrecht zu der ersten Richtung wirkenden Beschleunigungskomponente
unterschiedliche Kennlinien aufweisen. Es versteht sich, dass die Richtungen der Beschleunigungskomponenten in der gemeinsamen Auslenkungsebene der
Abstützelemente oder in dazu parallelen Ebenen wirken.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste oder zweite Richtung die Richtung ist, in der eine statische Beschleunigung wie die Gravitationsbeschleunigung wirkt. Damit weisen die Abstützelemente unterschiedliche Reaktionscharakteristiken bezüglich Bewegungs- und Gravitationsbeschleunigung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei jeweils ein erstes und zweites Abstützelement mit Masseelement umfassende Paare eingesetzt werden. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Paare spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Symmetrieachse oder -gerade senkrecht auf der Grundplatte steht.
Für die räumliche Erfassung der Beschleunigungen ist in einer bevorzugten
Ausführungsform vorgesehen, dass drei solcher Paare angeordnet sind, wobei die drei Sensorebenen jeweils senkrecht aufeinander stehen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass mindestens eine Gruppe von Abstützelementen mit Masseelementen angeordnet wird, wobei die Gruppe zwei erste und ein zweites Abstützelement mit Masseelement oder ein erstes und zwei zweite Abstützelemente mit Masseelementen umfasst. Dabei sind die doppelt vorhandenen Abstützelemente mit Masseelementen einer Gruppe spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Gruppen von Abstützelementen mit Masseelementen angeordnet werden, wobei die Gruppen jeweils ein erstes und ein zweites Abstützelement mit Masseelement umfassen. Zumindest ein Teil der mindestens zwei Gruppen ist so angeordnet, dass das erste und zweite Abstützelement mit Masseelement einer ersten Gruppe spiegelsymmetrisch zu dem ersten und zweiten Abstützelement mit Masseelement einer zweiten Gruppe angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Sensoren vorgesehen, die aus einer Grundplatte und einem auf dieser angeordneten elastischen Abstützung (.Abstützung' wird im folgenden synonym zu .Abstützelement' verwendet) bestehen, an welcher mindestens ein Masseelement befestigt ist, und an welcher zudem mindestens ein Messpunkt vorgesehen ist, über welchen die Auslenkung der Abstützung oder die dort entstehende Kraft infolge von Beschleunigungskräften auf das Masseelement, elektronisch oder mechanisch erfasst wird, und welche die gleiche Ausrichtung auf Beschleunigungskräfte in einer senkrecht zur Grundplatte stehenden Ebene aufweisen, und welche derart geformt sind, dass bei den Sensoren unterschiedliche Reaktionscharakteristiken auf Bewegungs- und Gravitationsbeschleunigung auftreten, wobei die unterschiedlichen Reaktionscharakteristiken derart ausgeprägt sind, dass bei Normierung der Sensorausgangssignale auf gleiche Reaktionen auf Beschleunigungskomponenten parallel zur Grundplatte in Richtung der Sensorausrichtung die Reaktion auf Gravitationskräfte bei den Sensoren in einem Quadranten stark unterschiedlich und in dem anderen Quadranten nur relativ gering unterschiedlich sind, so dass durch eine mathematische Verknüpfung der Sensorausgangssignale die bei den Sensoren gleichen Beschleunigungskomponenten zur Grundplatte kompensiert werden und der Verlauf der Gravitationskraft eine eindeutige Zuordnung zwischen Gravitationskraft und Ausgangssignal ermöglicht.
Durch diese Ausführungsform wird somit eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten bereitgestellt, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Sensoren mit Masseelementen umfasst, die auf mindestens einer Grundplatte jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind und die in einer oder parallelen Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Ebene oder die Ebenen mit der mindestens einen Grundplatte einen 90°-Winkel einschließen und wobei die AbStützungen für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen und die Auslenkungen der AbStützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind. Mit der beschriebenen Sensoranordnung werden einmal die Bewegungsbeschleunigungskomponenten - in der Ausrichtungsebene der Sensoren parallel zur Grundplatte und
- senkrecht zur Grundplatte ermittelt.
Zum anderen wird die statische Beschleunigung, hervorgerufen durch die Schräglage der Grundplatte zur horizontalen Ebene in der Ausrichtungsebene der Sensoren ermittelt.
Statische Beschleunigungskomponenten im hier gebrauchten Sinne sind Gravitationsbeschleunigungen. Horizontale und vertikale Beschleunigungen im hier gebrauchten Sinne sind Bewegungs- oder auch dynamische Beschleunigungskomponenten.
Die Ebene oder die Ebenen in denen die Auslenkung erfolgt bzw. in denen die Masseelemente schwingen, werden als Sensorebene bezeichnet.
Quadrant ist ein Ausschnitt der Sensorebene. Insbesondere umfasst der erste Quadrant Winkelwerte von 0° bis 90°, der zweite Quadrant Winkelwerte von 90° bis 180°, der dritte Quadrant Winkelwerte von 180° bis 270°, der vierte Quadrant Winkelwerte von 90° bis 180°, der dritte Quadrant Winkelwerte von 270° bis 360°.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten besteht aus mindestens zwei Sensoren mit ihren Masseelementen, die auf mindestens einer Grundplatte und jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind.
Die Masseelemente sind dabei in einer oder parallelen Ebenen (Sensorebene) durch Beschleunigungskräfte auslenkbar, wobei die Ebene oder die Ebenen mit der mindestens einen Grundplatte einen 90°-Winkel einschließen und wobei die Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen und die Auslenkungen der AbStützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind.
Wenn hier auf gleiche Reaktionscharakteristiken verwiesen wird, dann schließt dies auch angenäherte Reaktionscharakteristiken ein.
Die Abstützung der Masseelemente kann auf einer gemeinsamen Grundplatte vorgenommen sein oder, was insbesondere für die mikromechanische Ausführung von Bedeutung sein kann, auf verschiedenen Grundplatten. Wesentlich ist, dass die Auslenkungen der beteiligten Massekörper in einer gemeinsamen oder in parallelen Ebenen erfolgt und die Grundplatten der in den Messvorgang für diese Ebenen einbezogenen Sensoren parallel zueinander angeordnet sind.
Beim Begriff Grundplatte handelt es sich nachfolgend somit entweder um eine gemeinsame Grundplatte der Sensoren oder um parallel zueinander angeordnete Grundplatten.
Der Wnkel zwischen der Horizontalen und der Grundplatte, welcher durch Lageänderung des Sensors entsteht, wird mit (a) bezeichnet. Der Winkel (a) ist, wie nachstehend noch erläutert wird, der Gravitationskraft zugeordnet, was in Kennlinien seinen Ausdruck findet.
Dieser Wnkel (a) wird dabei für eine Bewegung im Koordinatensystem X-Y ermittelt. Bei einer räumlichen Bewegung im Koordinatensystem X-Y-Z ist somit mindestens eine weitere Sensoranordnung im Koordinatensystem Y-Z und/oder X-Z notwendig.
Gemessene äquivalente physikalische Größen zur Auslenkung, die z.B. kapazitiv, optisch, opto-elektronisch oder induktiv messbar ist, können auch direkt gemessene Kräfte (z.B. piezoelektrisch erfasste Kräfte) oder Verformungen sein.
Von Vorteil für das Messverfahren ist es, wenn der untere Teil der AbStützungen der Sensoren gegenüber der Grundplatte in einem Winkel (ß) vorgenommen ist, wobei der Winkel (ß) ungleich 90° sein sollte. Durch diese Neigung gegenüber der Grundplatte wird erreicht, dass die Differenzen der Kennlinienverläufe der Sensoren in einem Quadranten stark unterschiedlich und in dem anderen Quadranten nur geringfügig unterschiedlich sind. Die Auflösung der Winkelinformation (a) wird dadurch deutlich verbessert.
Für Messungen in einem Quadranten und bei vernachlässigbarer Vertikalbeschleunigung sind zwei Sensoren, deren AbStützungen für eine der Beschleunigungsformen (dynamisch oder statisch) gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, auf der Grundplatte angeordnet. Für allgemeine Beschleunigungsmessungen in zwei Quadranten sind in einer oder parallelen Ebenen (Sensorebenen) vier Sensoren mit Masseelementen jeweils auf Abstützungen angeordnet, wobei jeweils zwei Sensoren ein Paar bilden, deren Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen (dynamisch oder statisch) gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen.
Die Paare werden bevorzugt zueinander spiegel-symmetrisch bezogen auf die Grundplatte angeordnet. In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist auch vorgesehen, dass anstelle von vier Sensoren mit Masseelementen drei Sensoren Anwendung finden. Ein Sensor übernimmt bei dieser Ausführung eine Doppelfunktion, indem er mit dem jeweils anderen Sensor ein Paar für die messtechnische Auswertung bildet. Die Sensoren für die Messung in einem und/oder mehr Quadranten werden bevorzugt in Sensorblöcken angeordnet.
Die messtechnische Verarbeitung der gemessenen Größen zur Bestimmung der Beschleunigungskomponenten beruht auf einer Eliminierung von Beschleunigungsanteilen durch mathematische Verarbeitung der zeitgleich gemessenen Auslenkungen der Sensoren, nachfolgend mathematische Eliminierung genannt. Dies kann im einfachsten Fall durch Differenzbildung erfolgen, ist aber nicht darauf beschränkt. Weisen die Sensoren z. B. Abweichungen im Wnkel (ß), in den Massengrößen etc. auf, kann es notwendig sein, gemessene Werte zu verstärken oder anderweitig zu bearbeiten, damit bei der jeweiligen Differenzbildung die für die Eliminierung vorgesehene Beschleunigungskomponente auch tatsächlich eliminiert wird.
Um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, d.h. eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer
Beschleunigung, umfassend mindestens eine Grundplatte und mindestens zwei Masseelemente, wobei jedes Masseelement über ein elastisches Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden ist, und wobei die Abstützelemente in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens zwei Masse- und/oder Abstützelemente jeweils zumindest einen
Messpunkt aufweisen, und wobei die Abstützelemente mindestens eines ersten und mindestens eines zweiten Masseelements derart ausgelegt sind, dass das
Abstützelement des mindestens einen ersten Masseelements und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe
Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene
Reaktionscharakteristiken aufweisen. Zur Ermittlung der Beschleunigung,
insbesondere einer dynamischen und einer statischen Beschleunigung, ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, die Auslenkung mindestens eines ersten und mindestens eines zweiten Masse- und/oder Abstützelements zu erfassen. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass Daten, wie z.B. kapazitive, induktive, resistive, optoelektronische Werte o.dgl., erfasst werden, die die Auslenkung beschreiben. Die Auslenkung wird dabei insbesondere für mindestens einen der Messpunkte erfasst.
Erfindungsgemäß werden die die Auslenkung beschreibenden Daten der mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Masse- und/oder Abstützelemente ausgewertet, um die in die erste Richtung wirkende Komponente zu eliminieren. Dies ist möglich, da die Abstützelemente so ausgelegt sind, dass sie bezüglich der in die erste Richtung wirkenden Komponente der Beschleunigung dieselbe
Reaktionscharakteristik zeigen. Im Fall, dass die in die zweite Richtung wirkende Komponente vernachlässigbar ist, wird Ergebnis der Auswertung, d.h. das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis genutzt, um die in die erste Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung zurückzugewinnen. Das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis wird als statische Beschleunigung und die in die erste Richtung wirkende Komponente wird als dynamische Beschleunigung erfasst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Daten zeitgleich zu erfassen. Vorzugsweise erfolgt die Auswertung online.
Im allgemeinen Fall, d.h. wenn die in die zweite Richtung wirkende Komponente nicht vernachlässigbar ist, wird die vorerwähnte Vorrichtung genutzt, die um mindestens ein erstes Abstützelement mit Messeelement ergänzt ist und somit mindestens drei Abstützelemente mit Messeelement aufweist. Es ist dabei vorgesehen, dass die Abstützelemente mindestens zweier erster und mindestens eines zweiten
Masseelements derart ausgelegt sind, dass die Abstützelemente der mindestens zwei ersten Masseelemente und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der
Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen. Es werden dann jeweils Daten erfasst, die die Auslenkung der mindestens drei
Abstützelemente beschreiben, und es erfolgt eine erste Auswertung der zu einem ersten der ersten Abstützelemente und zu dem zweiten Abstützelement gehörigen Daten sowie eine zweite Auswertung der zu einem zweiten der ersten
Abstützelemente und zu dem zweiten Abstützelement gehörigen Daten. Durch die erste und zweite Auswertung werden jeweils die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert. Anschließend werden die um die in der ersten Richtung wirkende Komponente bereinigten Ergebnisse der ersten und zweiten Auswertung wiederum ausgewertet, um die in der zweiten Richtung wirkende
Komponente der Beschleunigung zu eliminieren. Anschließend wird das um die in der ersten und zweiten Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis verwendet, um die in der ersten und zweiten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung zurückzugewinnen. Das um die in die erste und zweite Richtung wirkenden
Komponenten bereinigte Ergebnis wird als statische Beschleunigung und die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten wird als dynamische
Beschleunigung erfasst. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, auch mindestens zwei zweite Abstützelemente mit Messeelement zu verwenden, wobei zumindest ein teil der mindestens zwei zweiten Abstützelemente mit Messeelement spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten mindestens zwei Sensoren mit Masseelemente vorgesehen sind, die auf mindestens einer Grundplatte jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, und wobei die Auslenkungen der Abstützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten zeitgleich erfasst werden und eine mathematische Eliminierung der in diesen Messwerten enthaltenen Beschleunigungskomponenten erfolgt, derart, dass zunächst durch paarweise mathematische Verknüpfung von zwei Sensoren die Beschleunigungskräfte in Längsrichtung eliminiert werden und anschließend durch mathematische Verknüpfung der aus diesen Beschleunigungspaaren gewonnenen Werte die Vertikalbeschleunigung eliminiert wird, so dass als isolierte Größe die Gravitationsbeschleunigung verbleibt, in deren Kenntnis die Vertikalbeschleunigung und anschließend die Längsbeschleunigung rückermittelt werden. In einem weiteren bevorzugten Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten sind vier Sensoren mit Masseelementen vorgesehen, die auf mindestens einer Grundplatte jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, wobei jeweils zwei Abstützungen gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die Auslenkungen der Abstützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind, mit folgenden Verfahrensschritten: die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes der jeweiligen Sensoren wird unter Beschleunigungsbedingungen zeitgleich gemessen und die Messwerte werden einer mathematischen Eliminierung von Beschleunigungskomponenten unterzogen die mindestens umfasst,
die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte gerichtet ist, wird eliminiert, indem eine mathematische Verknüpfung der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren als einem Paar und der spiegelgleich angeordneten Sensoren als weiteres Paar erfolgt,
die vertikal zur Grundplatte wirkende Beschleunigungskomponente wird eliminiert durch eine mathematische Verknüpfung zwischen den um die dynamische parallel zur Grundplatte gerichtete Beschleunigungskomponente bereinigten Werten der Sensorpaare,
und der so ermittelte Winkel (a) der Grundplatte gegenüber der Horizontalen wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte und der vertikalen Beschleunigung (VB) zur Grundplatte genutzt.
Ein anderes bevorzugtes Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten sieht zwei Sensoren mit Masseelementen vor, die auf einer Grundplatte jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Abstützungen für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten:
die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes der Sensoren wird unter Beschleunigungsbedingungen, bei denen die Vertikalbeschleunigung vernachlässigbar ist, zeitgleich gemessen und die Messwerte werden einer mathematischen Eliminierung von
Beschleunigungskomponenten unterzogen die mindestens umfasst, die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte gerichtet ist, wird kompensiert, indem eine mathematische Verknüpfung der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren erfolgt, und der so ermittelte Winkel (a) der Grundplatte gegenüber der Horizontalen wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte genutzt. Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Bestimmung eines allgemeinen Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten mit mindestens drei Sensoren (bei vernachlässigbarer vertikaler Beschleunigung auch mit mindestens zwei Sensoren) jeweils mit Masseelementen, die auf mindestens einer Grundplatte jeweils mit einer elastischen Abstützung angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die AbStützungen für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, sieht vor, dass die Auslenkungen der AbStützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten zeitgleich erfasst werden und eine mathematische Eliminierung der in diesen Messwerten enthaltenen Beschleunigungskomponenten erfolgt, derart, dass zunächst durch paarweise Verknüpfung von zwei Sensoren die Beschleunigungskräfte in Längsrichtung eliminiert werden und anschließend durch Verknüpfung der aus diesen Beschleunigungspaaren gewonnenen Werte die Vertikalbeschleunigung eliminiert wird, so dass als isolierte Größe die Gravitationsbeschleunigung verbleibt, in deren Kenntnis die Vertikalbeschleunigung und anschließend die Längsbeschleunigung rückermittelt werden.
Bei vernachlässigbarer Vertikalbeschleunigung entfällt die zweite Eliminierung.
Die Rückermittlung der Vertikal- und der Längsbeschleunigung muss für alle Sensoren zum gleichen Ergebnis für die parallele und die senkrecht zur Grundplatte gerichteten Beschleunigungen führen. Sollte dies nicht der Fall sein, kann durch Testalgorithmen eine iterative Annäherung erfolgen (Selbstkalibrierung). Mit anderen Worten, das System besitzt einen Selbstkontrollmechanismus hinsichtlich der korrekten Anordnung der Sensoren und deren Reaktionsnormierung auf eine Beschleunigungsart, vorzugsweise die Längsbeschleunigung.
Eine solche Vorrichtung, die zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeignet ist, lässt sich erfindungsgemäß verwenden, um mindestens einen Lageparameter zumindest von Teilen der Vorrichtung im Raum zu ermitteln. Bei diesen Lageparametern kann es sich um Orts- und/oder Orientierungswerte in der Fläche oder im Raum handeln.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Ermittlung des mindestens einen Lageparameters statische und dynamische Beschleunigung getrennt und insbesondere die Gravitations- und Bewegungsbeschleunigung über sämtliche Quadranten isoliert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung umfasst die Lageermittlung eine Ermittlung einer Komponente der Beschleunigung, die durch die Gravitation hervorgerufen wird. Die Gravitationsbeschleunigung wir somit aus der von der Vorrichtung erfassten Gesamtbeschleunigung separiert. Das erweist sich insbesondere als vorteilhaft, weil so eine Bewegung der Vorrichtung bezüglich eines Bezugskoordinatensystems, insbesondere bezüglich der Horizontalen oder Vertikalen, erfasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verwendung eine Steuerung von Prozessen. Dies erweist sich insbesondere als vorteilhaft bei der Steuerung von computergestützten Anwendungen, wie beispielsweise von Computerspielen.
Vorzugsweise umfasst die Verwendung eine Analyse allgemeiner Bewegungen von Körpern. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Analyse ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Bewegung eine bestimmte Funktion zugeordnet wird und/oder technische Mittel gesteuert werden, um durch die technischen Mittel eine gewollte Bewegung auszuführen. Vorzugsweise erfolgt die Bewegung mit Hilfe eines Regelkreises.
Besonders vorteilhaft erweist sich dabei die Verwendung der Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Bewegungen im Sportbereich. Dabei kann die Vorrichtung in einem Sportgerät und/oder in Sportkleidung integriert sein. Eine weitere vorteilhafte Verwendung besteht in der Analyse von Bewegungen zu Trainingszwecken.
Eine weitere vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung liegt im Bereich der Personenüberwachung. Bei dieser speziellen Verwendung können Tagesprofile einer Person über deren Grundzustände, wie beispielsweise Tätigkeiten, Ruhe-/Akti- vitätsphasen, einem Grundzustand untergelagerte Bewegungen o.dgl., erstellt werden. Eine bevorzugte Verwendung besteht darin, Positionsänderungen eines Objektes zu erfassen, worunter Änderungen der Lage und/oder der Orientierung des Objekts verstanden werden. Das erweist sich insbesondere als vorteilhaft bei der Erfassung von Bewegungen von transportierten Objekten relativ zur Bewegung des Transportmittels. Insbesondere kann das Verrutschen oder die Schrägstellung eines transportierten Objektes bezüglich des Transportmittels detektiert werden.
Eine andere bevorzugte Verwendung sieht die Erfassung einer Neigung eines Objektes vor. Dies erweist sich insbesondere bei der Überwachung von Objekten, die dynamisch gelagert sind, als vorteilhaft. Bei solchen dynamisch gelagerten Objekten kann es sich beispielsweise um boden-, luft- oder wassergebundene Fahrzeuge handeln, wobei deren Bewegung durch Luft- oder Wasserbewegungen überlagert werden, so dass neben einer Bewegungsbeschleunigung auch eine Schräglagenänderungen auftritt.
Eine weitere bevorzugte Verwendung sieht vor, dass die Lage (Position und/oder Orientierung) eines Objektes stabilisiert wird. Dies erweist sich insbesondere zur Stabilisierung von Fluggeräten als vorteilhaft.
In einer anderen bevorzugten Verwendung ist vorgesehen, dass die Schreibbewegung analysiert wird.
Generell besteht eine Verwendung der Vorrichtung auch darin, die separierten statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten von Bewegungen aufzuzeichnen und/oder zu dokumentieren sowie Bewegungen zu rekonstruieren. Insbesondere erweist sich eine Rekonstruktion der allein mit der statischen Beschleunigungskomponente bzw. der allein mit der dynamischen Beschleunigungskomponente verbundenen Bewegung als vorteilhaft.
Ein Computerprogramm gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ermöglicht es einer Datenverarbeitungseinrichtung, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung durchzuführen, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche mindestens eine Grundplatte und mindestens zwei Masseelemente, umfasst, und wobei jedes Masseelement über ein elastisches Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden ist, die Abstützelemente in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens zwei Masse- und/oder Abstützelemente jeweils zumindest einen Messpunkt aufweisen, und wobei die Abstützelemente mindestens eines ersten und mindestens eines zweiten Masseelements derart ausgelegt sind, dass das Abstützelement des mindestens einen ersten Masseelements und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen, und wobei die Auslenkung der Messpunkte beschreibende Daten zumindest eines ersten und zumindest eines zweiten Masse- und/oder Abstützelements erfasst, durch Auswertung der erfassten Daten die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und bei vernachlässigbarer in die zweite Richtung wirkenden Komponente das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste Richtung wirkenden Komponente genutzt wird und das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste Richtung wirkende Komponente als dynamische Beschleunigung erfasst wird.
Ein Computerprogramm gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ermöglicht es einer Datenverarbeitungseinrichtung, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung durchzuführen, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche mindestens eine Grundplatte und mindestens drei Masseelemente, umfasst, und wobei jedes Masseelement über ein elastisches Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden ist, die Abstützelemente in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens drei Masse- und/oder Abstützelemente jeweils zumindest einen Messpunkt aufweisen, und wobei die Abstützelemente mindestens zweier erster und mindestens eines zweiten Masseelements derart ausgelegt sind, dass die Abstützelemente der mindestens zwei ersten Masseelemente und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen, und wobei die Auslenkung der Messpunkte beschreibende Daten zumindest von zwei ersten und zumindest eines zweiten Masse- und/oder Abstützelements erfasst, durch Auswertung der von dem Masseelemente eines ersten der mindestens zwei ersten und des zweiten Masse- und/oder Abstützelement erfassten Daten und durch Auswertung der von dem Masseelemente eines zweiten der mindestens zwei ersten und des zweiten Masse- und/oder Abstützelement erfassten Daten jeweils die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und durch Auswertung der beiden um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigten Ergebnisse die in die zweite Richtung wirkende Komponente eliminiert und das um die in die zweite Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten genutzt wird und das um die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten als dynamische Beschleunigung erfasst werden.
Ein Computerprogramm gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung konfiguriert eine zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung, nachdem das Computerprogramm in Speichermittel der Vorrichtung geladen worden ist, so, dass die Vorrichtung für eine Verwendung nutzbar ist, wobei eine Analyse von Bewegungen erfolgt, wobei mindestens ein Lageparameter zumindest von Teilen der Vorrichtung im Raum ermittelt wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Computerprogramm modular aufgebaut ist, wobei einzelne Module auf verschiedenen Teilen der Datenverarbeitungseinrichtung installiert sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen sehen zusätzlich Computerprogramme vor, durch welche weitere in der Beschreibung angegebene Verfahrensschritte oder Verfahrensabläufe ausgeführt werden können.
Solche Computerprogramme können beispielsweise (gegen Gebühr oder unentgeltlich, frei zugänglich oder passwortgeschützt) downloadbar in einem Daten- oder Kommunikationsnetz bereitgestellt werden. Die so bereitgestellten Computerprogramme können dann durch ein Verfahren nutzbar gemacht werden, bei dem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 aus einem elektronischen Datennetz, wie beispielsweise aus dem Internet, auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird. Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ist vorgesehen, ein computerlesbares Speichermedium einzusetzen, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung durchzuführen, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche mindestens eine Grundplatte und mindestens zwei Masseelemente, umfasst, und wobei jedes Masseelement über ein elastisches Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden ist, die Abstützelemente in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens zwei Masse- und/oder Abstützelemente jeweils zumindest einen Messpunkt aufweisen, und wobei die Abstützelemente mindestens eines ersten und mindestens eines zweiten Masseelements derart ausgelegt sind, dass das Abstützelement des mindestens einen ersten Masseelements und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen, und wobei die Auslenkung der Messpunkte beschreibende Daten zumindest eines ersten und zumindest eines zweiten Masse- und/oder Abstützelements erfasst, durch Auswertung der erfassten Daten die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und bei vernachlässigbarer in die zweite Richtung wirkenden Komponente das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste Richtung wirkenden Komponente genutzt wird und das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste Richtung wirkende Komponente als dynamische Beschleunigung erfasst wird.
Zur Ausführung einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist vorgesehen, ein computerlesbares Speichermedium einzusetzen, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung durchzuführen, wobeieine Vorrichtung verwendet wird, welche mindestens eine Grundplatte und mindestens drei Masseelemente, umfasst, und wobei jedes Masseelement über ein elastisches Abstützelement mit der mindestens einen Grundplatte verbunden ist, die Abstützelemente in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens drei Masse- und/oder Abstützelemente jeweils zumindest einen Messpunkt aufweisen, und wobei die Abstützelemente mindestens zweier erster und mindestens eines zweiten Masseelements derart ausgelegt sind, dass die Abstützelemente der mindestens zwei ersten Masseelemente und das Abstützelement des mindestens einen zweiten Masseelements in den Messpunkten bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen, und wobei die Auslenkung der Messpunkte beschreibende Daten zumindest von zwei ersten und zumindest eines zweiten Masse- und/oder Abstützelements erfasst, durch Auswertung der von dem Masseelemente eines ersten der mindestens zwei ersten und des zweiten Masse- und/oder Abstützelement erfassten Daten und durch Auswertung der von dem Masseelemente eines zweiten der mindestens zwei ersten und des zweiten Masse- und/oder Abstützelement erfassten Daten jeweils die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und durch Auswertung der beiden um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigten Ergebnisse die in die zweite Richtung wirkende Komponente eliminiert und das um die in die zweite Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten genutzt wird und das um die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten als dynamische Beschleunigung erfasst werden.
Um die erfindungsgemäße Verwendung zu ermöglichen, ist vorgesehen, ein computerlesbares Speichermedium einzusetzen, auf dem ein Programm gespeichert ist, das eine zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung, nachdem das Computerprogramm in Speichermittel der Vorrichtung geladen worden ist, so konfiguriert, dass die Vorrichtung für eine Verwendung nutzbar ist, wobei eine Analyse von Bewegungen erfolgt, wobei mindestens ein Lageparameter zumindest von Teilen der Vorrichtung im Raum ermittelt wird.
Erfindungsgemäße Verwendungen werden nachfolgend anhand verschiedener beispielhafter Ausführungen in größerem Detail beschrieben. Den Ausführungsbeispielen für die erfindungsgemäße Verwendung wird eine Beschreibung einer beispielhaften Vorrichtung für eine getrennte Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung und ein entsprechendes Auswerteverfahren vorangestellt.
Es zeigen: einen Sensorblock aus 4 Sensoren in einer Sensorebene, die Kennlinien für Beschleunigungen,
die mathematische Eliminierung von Beschleunigungskomponenten bei vier Sensoren,
einen Sensorblock aus drei Sensoren,
die Kennlinien für die Beschleunigungen,
die mathematische Eliminierung von Beschleunigungskomponenten bei drei Sensoren und
eine Ausführung in Silizium.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten auf hier einer zur Horizontalen 11 um den Winkel (a) geneigten Grundplatte 7 in einer mechanischen Ausführung mit vier Sensoren 1 - 4.
Die mittels des Sensorblocks mit den Sensoren 1 - 4 ermittelbaren Beschleunigungsgrößen sind
- der Winkel (a) als Neigung des Sensorblocks, oder genauer, der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 11 , - die parallele Beschleunigung (PB) zur Grundplatte 7, auch als Längsbeschleunigung zu bezeichnen und - die vertikale Beschleunigung (VB) zur Grundplatte 7.
Jeder der vier Sensoren 1 - 4 weist ein Masseelement 5 oder 6 auf, die auf der Grundplatte 7 jeweils mit einer elastischen Abstützung 8, 9 angeordnet sind und die in einer senkrecht zur Grundplatte 7 befindlichen Ebene, der Sensorebene, durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind. Jeweils zwei AbStützungen sind gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet. Eine Schlüsselstellung für die universelle Funktionsweise der vorgeschlagenen Vorrichtung kommt den AbStützungen 8, 9 der Massenelemente 5, 6 zu. Diese AbStützungen 8, 9 der jeweils ein Paar bildenden Sensoren 1 , 2 und 3, 4 müssen der Bedingung genügen, für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufzuweisen.
Die dargestellten Ausführungen der Sensorpaare 1 , 2 und 3, 4 erfüllen diese Bedingung, indem die Abstützung 8 ein Stab 8.1 oder ein Streifen 8.1 ist, wobei bei einem Streifen 8.1 dieser in der Streifenebene elastisch verformbar ist. Die Abstützung 9 wird durch einen abgewinkelten oder gebogenen Stab oder Streifen gebildet mit den Abschnitten 9.1 , 9.2.
Da das Auswerteverfahren auf einer mathematischen Eliminierung von Beschleunigungskomponenten z.B. durch eine Differenzbildung zwischen den zeitgleich gemessenen Messwerten für die Auslenkung oder einer anderen äquivalenten physikalischen Größe der Messpunkte 10 infolge der Wirkung von Beschleunigung beruht, ist es zweckmäßig, wo möglich, bauliche Übereinstimmung und optimierte Ausbildungen vorzusehen. In diesem Sinne ist in vorteilhaften Ausführungen vorgesehen, dass der Abschnitt 9.1 des Stabes oder Streifens der Abstützung 9 im Anfangsbereich von der Grundplatte 7 aus gesehen in der Form und der Verformbarkeit jeweils dem Stab oder Streifen 8.1 entspricht. Dazu gehört auch, dass der abgewinkelte Abschnitt 9.2 zum Abschnitt 9.1 einen Winkel von 90° einschließt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die beiden Abschnitte 9.1 , 9.2 eine unterschiedliche Länge aufweisen, vorzugsweise der Abschnitt 9.2 länger als der Abschnitt 9.1 ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand von Fig. 2 und Fig. 3 grundsätzlich erläutert werden.
Fig. 2 zeigt einen halben Sensorblock mit den Kennlinien der Reaktionscharakteristiken der Sensoren 1 und 2, wobei die Kennlinien der Sensoren 3 und 4 spiegelgleich ausfallen, so dass auf eine gesonderte Darstellung verzichtet wurde.
Oben sind die Sensoren 1 und 2 dargestellt und darunter die jeweiligen Gravitationsbeschleunigungskennlinien in Bezug auf das Ausgangssignal (AW), das am Messpunkt 10 gemessen wird und im folgenden durch mathematische Eliminierung von Beschleunigungskomponenten bearbeitet wird.
Die Abstützungen 8, 9 der jeweils ein Paar bildenden Sensoren 1 , 2 und 3, 4 müssen der Bedingung genügen, für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufzuweisen.
Dies wird bei den Sensorpaaren dadurch erreicht, dass die Abstützung 8 ein Stab 8.1 und die Abstützung 9 durch einen abgewinkelten Stab gebildet ist mit den Abschnitten 9.1 , 9.2.
Die Sensoren weisen folgende Kennliniencharakteristika auf:
Der Kennlinienverlauf für statische Beschleunigung, also für unterschiedliche Positionswinkel des Sensorblockes gegenüber der horizontalen Ebene, ist bei Sensor 1 bzw. 4 durch die Änderung der Gravitationskraft senkrecht zur Stabebene gegeben. Es ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte linke Kennlinienverlauf. Beim abgewinkelten Sensor 2 bzw. 3 ist dem Kennlinienverlauf von Sensor 1 bzw. 4 ein weiterer Anteil überlagert, welcher sich durch den als Hebel wirkenden abgewinkelten Abschnitt 9.2 ergibt. Dies zeigt der in Fig.2 rechts dargestellte Kennlinienverlauf. Eine ausführliche Erläuterung erfolgt weiter unter Fig. 5 und 6. Das Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten bei dieser Anordnung mit vier Sensoren 1 - 4 mit Masseelementen 5, 6, die auf mindestens einer Grundplatte 7 jeweils mit einer elastischen Abstützung 8, 9 angeordnet sind und die in einer oder parallelen jeweils senkrecht zur Grundplatte 7 befindlich Ebenen durch Beschleunigungskräfte auslenkbar sind, wobei die Ebene oder die Ebenen mit allen Grundplatten 7 einen 90°- Winkel einschließen und wobei die AbStützungen 8, 9 für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen, wobei jeweils zwei AbStützungen gleich aber spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die Auslenkungen der AbStützungen oder äquivalente physikalische Größen an Messpunkten 10 erfassbar und rechentechnisch verarbeitbar sind, sieht vor, dass die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes 10 der jeweiligen Sensoren 1 - 4 unter Beschleunigungsbedingungen zeitgleich gemessen wird und die Messwerte einer mathematische Eliminierung -hier einer Differenzbildung- unterzogen werden, die mindestens umfasst:
1. Differenzbildung Die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte 7 gerichtet ist (Längsbeschleunigung), wird kompensiert, indem eine Differenzbildung der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren 1 und 2 als einem Paar und der spiegelgleich angeordneten Sensoren 3 und 4 als weiterem Paar erfolgt.
Voraussetzung dafür ist, dass die Sensoren 1 bis 4 jeweils auf die gleiche Reaktion auf Längsbeschleunigung normiert sind. Voraussetzung für den Erhalt aussagefähiger Berechnungsergebnisse ist weiter, dass die Gravitationskennlinien der Sensoren 1 bis 4 in den beiden Quadranten voneinander abweichende Kennlinienverläufe aufweisen. Je stärker die Abweichung, desto geringer sind die Einflüsse resultierend aus Fertigungstoleranzen, Messfehlern bei der Messung der Auslenkung usw.
Die in Fig. 2 dargestellten Sensoren 1 und 2 des ersten Sensorpaares erfüllen diese Bedingungen. Der gewählte Winkel ß beträgt um die 30° und die Länge des Schenkels 9.2 entspricht etwa dem Dreifachen der Länge des Schenkels 9.1 und der Stababstützung 8.1. Während die Längsbeschleunigung auf den Sensor 1 nur in Form einer Schubbiegung wirkt, überlagern sich bei Sensor 2 Schubbiegung und Momentenbiegung. Um bei Sensor 1 die gleiche Reaktion, d.h. Auslenkung, auf Längsbeschleunigung im Sensorausgangssignal zu erhalten wie bei Sensor 2 ist somit eine Verstärkung des Ausgangssignals um einen bestimmten Faktor notwendig.
Dies vorausgeschickt sind in Fig. 2 die Kennlinien der Gravitation dargestellt, links für Sensor 1 und rechts für Sensor 2. Im Zuge der 1. Differenzbildung zwischen diesen Kennlinien ist die Längsbeschleunigung eliminiert, denn die gleiche Reaktion der beiden Sensoren 1 und 2 auf Längsbeschleunigung im Messpunkt 10 war Voraussetzung. Die Fig. 3a und Fig. 3b zeigen den Differenzverlauf der Gravitationsverläufe der Sensoren nach der 1. Differenzbildung.
Die obere Kennlinie (Fig. 3a) entspricht dabei der Differenzbildung zwischen den Sensoren 1 und 2 und die mittlere Kennlinie (Fig. 3b) der Differenzbildung von den Sensoren 3, 4.
2. Differenzbildung
Die vertikal zur Grundplatte 7 wirkende dynamische Beschleunigungskomponente wird kompensiert durch eine Differenzbildung zwischen den um die dynamische, parallel zur Grundplatte 7 gerichtete Beschleunigungskomponente bereinigten Werte der Sensorpaare 1 , 2 und 3, 4, ebenfalls im einfachsten Fall durch Subtraktion oder wo notwendig durch eine Pegelanpassung der Messwerte vor der Differenzbildung, um tatsächlich den Messwertanteil der vertikalen dynamischen Beschleunigung zu eliminieren.
Durch das hier verwendete identische aber spiegelgleich angeordnete Sensorpaar 3, 4, deren Ausgangssignale bei der ersten Differenzbildung in gleicher Weise bearbeitet wurden wie beim Sensorpaar 1 , 2, kann die Vertikalbeschleunigungskomponente durch Subtraktion erfolgen, da auf jeden Sensor die gleiche Beschleunigungskraft einwirkt, folglich auch in den Differenzverläufen nach der 1. Differenzbildung die gleichen Vertikalbeschleunigungsanteile enthalten sind. Bei einer Differenzbildung zwischen den Paaren 1 , 2 und 3, 4 heben sich die vertikalen dynamischen Beschleunigungen zur Grundplatte 7, dargestellt in Fig. 3a und 3b, gegenseitig auf.
In die vorgenannten Differenzbildungen sind als Bestandteil der Messwerte der einzelnen Sensoren 1 - 4 auch die Anteile der statischen Beschleunigung als bisher unbekannte Größe enthalten. Nach den vorgenannten Eliminierungen bleibt dieser Wert als Differenzwert, dem ein bestimmter Wnkel (a) zuzuordnen ist, übrig. In Fig. 3c ist der vollständige Kennlinienverlauf der Differenzwerte dargestellt.
Durch diese Subtraktion wird zudem erreicht, dass wegen der Unsymmetrie der Gravitationskennlinien in den beiden Quadranten in einem Quadrant die Gravitationswerte (a) negativ und im anderen Quadranten positiv sind, d.h. eine eindeutige Zuordnung zwischen den Sensorausgangssignalen und Wnkelwert in beiden Quadranten vorliegt.
Der so ermittelte Wnkel (a) der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 1 1 wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte 7 und der vertikalen Beschleunigung (VB) zur Grundplatte 7 genutzt.
Ist die Bestimmung eines Bewegungsvorganges mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponenten vorgesehen, bei dem die vertikale Beschleunigung vernachlässigbar ist und wo nur ein Quadrant von Interesse ist, kann mit zwei Sensoren 1 - 2 gearbeitet werden, wobei die Sensoren 1 , 2 wie vorab beschrieben angeordnet sind und die AbStützungen 8, 9 für eine der Beschleunigungsformen dynamisch oder statisch gleiche und für die andere Beschleunigungsform eine unterschiedliche Reaktionscharakteristik aufweisen. Die Auslenkung oder eine andere physikalische Größe mindestens eines Messpunktes 10 der Sensoren 1 , 2 wird unter Beschleunigungsbedingungen, bei denen die Vertikalbeschleunigung vernachlässigbar ist, zeitgleich gemessen und die Messwerte werden einer Differenzbildung unterzogen die mindestens umfasst: Die dynamische Beschleunigungskomponente, die parallel zur Grundplatte 7 gerichtet ist, wird kompensiert, indem eine Differenzbildung, im einfachsten Fall eine Subtraktion der gemessenen Auslenkungswerte oder der äquivalenten physikalische Größen der Sensoren 1 und 2 erfolgt.
Die Differenzbildung zur Eliminierung der vertikalen Beschleunigung entfällt, da deren Vernachlässigung als Voraussetzung für diesen Bewegungsvorgang angenommen wurde.
Auch hier ist die vorgenannte Differenzbildung als Bestandteil der Messwerte der einzelnen Sensoren 1 - 2 der Anteil der statischen Beschleunigung als bisher unbekannte Größe enthalten. Nach den vorgenannten Eliminierungen bleibt dieser Wert als Differenzwert, dem ein bestimmter Wnkel (a) zuzuordnen ist, übrig.
Der so ermittelte Wnkel (a) der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 1 1 wird zur Bestimmung der parallelen Beschleunigung (PB) zur Grundplatte 7 genutzt, was rechentechnisch erfolgt.
Fig. 4 zeigt einen Sensorblock mit drei Sensoren 12-14 als eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorgenannten Ausführung mit vier Sensoren 1-4. Der Sensor 12 übernimmt bei dieser Anordnung eine Doppelfunktion. Er ist einmal Bestandteil des Sensorpaares 12, 13 und einmal Bestandteil des Sensorpaares 12, 14.
Um auch hier das vorgenannte Prinzip der schrittweisen Eliminierung von Beschleunigungskomponenten als Bestandteil eines Messwertes durchführen zu können, ist in einer vorteilhaften Ausführung eine spezielle Anordnung der Abstützungen 8, 9 vorgenommen worden.
Ausdrücklich sei aber darauf hingewiesen, dass diese spezielle Ausführung das System nicht beschränkt. Vielmehr sind auch andere Längenverhältnisse und Wnkel möglich.
Für den Wnkel ß2 zwischen der Abstützung 8.1 und der Grundplatte 7 des Sensors 13 ist hier ein Wert von 25° gewählt worden. Die Abstützung 8.1 des Sensors 14 ist dazu spiegelsymmetrisch angeordnet, und um den Winkel ß3 = - 25° gegenüber der Grundplatte 7 geneigt. Die Neigung der Abstützung 9.1 des Sensors 12 weist einen Neigungswinkel zur Grundplatte 7 von auf, hier 60°.
Die Längen der Stababstützungen 8.1 der Sensoren 13 und 14 sind gleich der Länge des Abschnitt 9.1 vom Sensor 12, während die Länge 9.2 des Sensors 12 dem Dreifachen der Länge des Abschnittes 9.1 entspricht.
Um bei Sensor 13 bzw. 14 die gleiche Reaktion, d.h. Auslenkung auf Längsbeschleunigung im Sensorausgangssignal wie bei Sensor 12 zu erhalten ist eine Verstärkung des Ausgangssignals um einen bestimmten Normierungsfaktor notwendig.
Bei der hier dargestellten Ausführung berechnet sich dieser für die Längsbeschleunigung beispielsweise zu 5,6, wobei bei Sensor 12 zu berücksichtigen sind die Schubbiegung und die Momentenbiegung, während die Längsbeschleunigung auf die Sensoren 13 und 14 nur in Form einer Schubbiegung wirkt und noch dazu gleich ist.
Fig. 5 zeigt beispielhaft die Gravitationskennlinien für einen Sensorblock mit den Sensoren 12 bis 14 gemäß Fig. 4.
Die Gravitationskennlinie für elastisch abgestützte Massen hat einen sinusförmigen Verlauf, wie er in Fig. 5 a und b dargestellt ist.
Bei einer bestimmten Anfangswinkellage, hier bei den Sensoren 13 und 14 mit den Neigungswinkeln und ß2 zur Grundplatte, verschiebt sich jeweils der Arbeitspunkt auf der Kennlinie um den entsprechenden Winkel 90°- hier 65°, und -(90° - ß2), hier -65° gegenüber den Bezugskoordinaten mit ß = 90°. Die Arbeitsbereiche der Sensoren 13 und 14 sind mit S13 und S14 angegeben. Analoges gilt für Sensor 12 mit dem Arbeitsbereich S12.
In der Fig. 5a ist die resultierende Kennlinie des Sensors 12 unter dem Einfluss der Gravitation dargestellt.
Diese setzt sich zusammen aus den Kennlinienverläufen der Momentenbiegekomponente (MBK) und der Schubbiegekomponente (SBK). In Fig. 5b ist der nichtnormierte Kennlinienverlauf der Sensoren 13 und 14 unter dem Einfluss der Gravitation dargestellt.
In den Fig. 6 wird die schrittweise mathematische Eliminierung der einzelnen Beschleunigungskomponenten gezeigt.
Um bei Sensor 13 bzw. 14 die gleiche Reaktion, d.h. Auslenkung auf Längsbeschleunigung im Sensorausgangssignal wie bei Sensor 12 zu erhalten ist eine Verstärkung des Ausgangssignals um den oben angegebenen Normierungsfaktor notwendig. Nur dann führt die erste Differenzbildung zwischen den Auslenkungsmesswerten (Ausgangssignale AW) zu einer Eliminierung der Längsbeschleunigungskomponente.
In der Fig. 6a sind bezogen auf gleiche Arbeitsbereiche die Gravitationskennline des Sensors 12 und die normierte Kennlinie des Sensors 14, die durch Multiplikation mit dem Normierungsfaktor entstanden ist, dargestellt.
In der Fig. 6b sind bezogen auf gleiche Arbeitsbereiche die Gravitationskennline des Sensors 12 und die normierte Kennlinie des Sensors 13, die durch Multiplikation mit dem Normierungsfaktor entstanden ist, dargestellt.
Die Darstellungen lassen auch erkennen, dass die Voraussetzung für den Erhalt aussagefähiger Berechnungsergebnisse erfüllt ist, nämlich dass die
Gravitationskennlinien der Sensoren in den beiden Quadranten voneinander abweichende Kennlinienverläufe aufweisen.
Werden nun, wie verfahrensgemäß vorgesehen ist, in der 1. Differenzbildung jeweils die Kennlinienverläufe in den Fig. 6a und 6b voneinander subtrahiert, was dem Inhalt der jeweils schraffierten Flächen entspricht, erhält man als resultierende Zwischenkennlinien die in Fig. 6c und 6d dargestellten. Die Fig. 6c stellt die Kennlinie die Differenzbildung von Sensor 14 und Sensor 12 und die Fig. 6d die Differenzbildung der Sensoren 13 und 12 dar. Die Darstellung in Fig. 6d ist dabei bereits normiert worden auf eine gleiche Vertikalbeschleunigung wie die Kennlinie in Fig. 6c, so dass bei der 2. Differenzbildung die Vertikalbeschleunigung tatsächlich eliminierbar ist. Da die Auslenkung von Sensor 14 und Sensor 12 bei Vertikalbeschleunigung in die gleiche Richtung verlaufen, ist deren Differenzbetrag gegenüber dem Differenzbetrag von Sensor 13 und Sensor 12, bei welchen die Auslenkungen entgegengesetzt sind, geringer, so dass das Differenzsignal von Sensor 14 und 12 angehoben oder das Differenzsignal von Sensor 13 und Sensor 12 abgesenkt werden muss, um auf gleiche Pegel zu kommen.
Durch diese Normierung werden auch die Pegel der Differenzkennlinien angeglichen. Da die Reaktion auf Vertikalbeschleunigungen bei Sensor 14 und Sensor 13 wegen der Normierungsfaktoren hinsichtlich gleicher Längsbeschleunigung größer ist als die bei Sensor 12, werden die Vorzeichen der Differenzbildung durch diese Sensoren gegeben. Die Differenz von Sensor 14 und Sensor 12 ist daher negativ, die von Sensor 13 und Sensor 12 positiv, was bedeutet, dass bei der 2. Differenzbildung die Werte zu addieren sind, um die Vertikalbeschleunigung zu eliminieren.
Fig. 6e zeigt das Ergebnis der 2. Differenzbildung, so dass einem gemessenen Sensorausgangssignal ein bestimmter Wnkel (a) zuzuordnen ist.
Der so ermittelte Wnkel (a) der Grundplatte 7 gegenüber der Horizontalen 1 1 wird zur Bestimmung der vertikalen (VB) und der parallelen (PB) Beschleunigung zur Grundplatte 7 genutzt, was rechentechnisch erfolgt.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Sensorkonstellation lässt sich somit auch durch mathematische Verknüpfung die gewünschte Gravitationskennlinie erreichen, wobei geringfügige Pegelanpassungen zur Eliminierung der Längs- als auch die Vertikalbeschleunigung die Charakteristik der Gravitationskennlinie nicht beeinflussen.
Fig. 7 zeigt eine erste Modellausführung für eine mikromechanische Ausführung mit 2 Sensoren. Die Anordnung der Sensoren 1 , 2 ist als dreidimensionale Mikrostruktur in einem Trägermaterial ausgebildet mit Masseelementen 5, 6 und elastischen AbStützungen 8, 9, wobei als Trägermaterial vorzugsweise einkristallines Silizium (Si) oder Quarz oder Glas oder ein Lack eingesetzt ist.
Die Abstützung 8 der Masse 5 ist auch in der mikromechanischen Ausführung ein Stab 8.1 oder ein Streifen 8.1 , wobei bei einem Streifen 8.1 dieser in der Streifenebene elastisch verformbar ist. Die Abstützung 9 der Masse 6 wird durch einen abgewinkelten oder gebogenen Stab oder Streifen gebildet mit den Abschnitten 9.1 und 9.2.
Analog gilt dies bei der Anordnung von drei oder vier Sensoren wie oben beschrieben. Im Weiteren werden deshalb nur noch Sensoren erwähnt.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die dreidimensionale Mikrostruktur der Sensoren in einer Wanne des Trägermaterials ausgebildet, wobei Wannenwände eine Grundplatte 7 bilden.
Ebenso kann die dreidimensionale Mikrostruktur der Sensoren in einem gemeinsamen Rahmen des Trägermaterials angeordnet sein oder in einem Rahmen für jeden Sensor oder für Sensoren, wobei eine oder zwei parallele Rahmenseiten jeweils die Grundplatte 7 bilden.
Weiter ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Mikrostruktur der Sensoren gekapselt ausgeführt ist, vorzugsweise vakuumierbar. Das hat den Vorteil, dass messwertverfälschende Gaswiderstände ausschließbar sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist in das Trägermaterial neben den Sensoren auch die Elektronik zur Auswertung der Messergebnisse integriert.
Die Herstellung der dreidimensionalen Mikrostruktur kann mittels herkömmlicher Verfahren wie das bulk micromachining, die LIGA-Technik, Prägen oder auch Elektroerodieren vorgenommen werden, ohne dass damit eine Beschränkung auf diese Verfahren vorgenommen sein soll.
Für das Ausmessen werden bevorzugt die optische Detektion von Referenzpunkten, die kapazitive Auswertung z. B. durch Abstandsmessung zwischen AbStützungen und Festpunkten und resistive Auswerteverfahren mittels Piezotechnik oder Dehnmessstreifen genutzt.
Mit der vorgeschlagenen Sensortechnik lassen sich Bewegungsvorgänge mit statischen und dynamischen Beschleunigungskomponente allgemeinster Art ohne Vernachlässigung von einzelnen Beschleunigungskomponenten analysieren. Durch die kostengünstige mikromechanische Ausführung unterliegt diese Sensortechnik keiner Einsatzbeschränkung. Sie wird nicht nur in der Industrie sondern als Massenprodukt auch bei Konsumgütern zu einer neuen Qualität führen.
Vorteilhafte Anwendungen der Sensoren oder Sensorenblöcke werden insbesondere gesehen
- in einer Analyse allgemeiner Bewegungen von Körpern. Hierzu gehören insbesondere Fahrtenschreiberfunktionen, die Analyse von Bewegungsabläufen im Sport wie beim Schwimmen, Werfen, Stossen, im Skisport die Analyse der Skibewegung und die des Läufers, beim Boxen zur Schlaganalyse sowie Körperzustandsanalysen allgemeinster Art.
- in einer Analyse von Bewegungen, um der Bewegung eine bestimmte Funktion zuzuordnen. Denkbar ist das Auslösen von Ein- und Ausschaltvorgängen und anderen auch komplizierteren Funktionsabläufen durch Hand- und/oder andere Körperbewegungen. Dazu gehören auch das Lesen von Gebärdensprache und die Schrifterkennung beim Schreiben.
- in einer Analyse der Bewegung zum Vollzug einer gewollten Bewegung durch technische Mittel in einem Regelkreis. Hierbei sind insbesondere Maschinen und
Fahrzeugsteuerungen von besonderer Bedeutung, aber auch Prothesenbewegungen und Regelkreise zur Aufrechterhaltung von Körperfunktionen.
In einer beispielhaften Verwendung der zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung (nachfolgend auch Dynamikrekorder genannt) ist vorgesehen, die Vorrichtung als Fahrten- oder Unfalldatenschreiber zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist dabei der Einsatz für boden-, wasser- und luftgebundene Fahrzeuge. Die Bewegungen dieser Fahrzeuge sind mit deutlichen Beeinflussungen durch dynamische Vorgänge beeinflusst. Bei diesen Fahrzeugen treten durch Steigungen, Luft- oder Wasserbewegungen neben der Bewegungsbeschleunigung auch Schräglagenänderungen auf. Zur Aufzeichnung und Rekonstruktion der Bewegungen ist eine Trennung der Beschleunigungsformen erforderlich. Durch Aufzeichnen der dynamischen Werte lassen sich beispielsweise auch Unfälle rekonstruieren. Ein weiteres Verwendungsgebiet der Vorrichtung liegt in der Bewegungserfassung von Transportgütern. Die Trennung von statischer und dynamischer Beschleunigung ist hier erforderlich, um Schrägstellungen, Verrutschen von Ladungsgut sowie andere Positionsänderungen zu erfassen, um ggf. Signalisierungen auszulösen.
Eine weitere beispielhafte Verwendung sieht die Bewegungserfassung von Maschinen und/oder Baufahrzeugen vor. Zur Kontrolle und Steuerung von Kränen, Baggern oder sonstigen Baumaschinen ist die Trennung der Beschleunigungsformen unerlässlich, da durch die Geländebeschaffenheit und Wind- und Bodeneinflüsse sich beispielsweise Lageänderungen von Geräten und Lasten ergeben.
Eine andere beispielhafte Verwendung des Dynamikrekorders liegt in der Navigation, insbesondere der Erfassung und Stabilisierung einer Position eines Fahrzeugs. Zur Erfassung und Stabilisierung einer Position bei jeder Art von Fluggeräten von Großflugzeugen bis zu Drohnen oder Modellflugzeugen ist die Trennung der Beschleunigungsformen Vorrausetzung.
Eine weitere beispielhafte Verwendung besteht in den getrennten Erfassungen von Lagewinkel zur horizontalen Ebene und Bewegung der Roboterarme, die für jede Art der Robotertätigkeit unerlässlich ist.
In einer weiteren wichtigen Ausführungsform ist die Verwendung des Dynamikrekorders im Sportbereich vorgesehen. Nahezu jede Bewegung im Sportbereich beinhaltet statische und dynamische Beschleunigungskomponenten. Zur Erfassung und Aufzeichnung dieser Beschleunigungskomponenten ist in einer beispielhaften Ausführungsform vorgesehen, mindestens einen Dynamikrekorder in Kleidungsstücke oder Sportgeräte zu integrieren bzw. mit diesen zu kombinieren. So kann beispielsweise vorgesehen sein, den Dynamikrekorder z.B. in Sportschuhe, Tennis-, Golf- und/oder Hockeyschläger, in Skier, in Boxhandschuhen usw. zu integrieren. Die so gewonnenen Aufzeichnungen wären für Trainingszwecke, zur Berichterstattung, zum Test und zur Dokumentation des eigenen Leistungsvermögens verwendbar.
Ein anderes Beispiel für eine Verwendung der zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung ist die Bewegungserfassung von Person. Analog zu den Bewegungen im Sportbereich treten auch bei Bewegungen beispielsweise am Handgelenk beide Beschleunigungsformen auf. Aus einer Analyse dieser Bewegungen lassen sich Aussagen über die Bewegungsursachen ableiten, aus welchen einer Art Tagesprofil mit den Grundzuständen der Person (Liegen, Sitzen, Stehen, Gehen, Laufen, Sporttreiben) sowie mit näheren Spezifizierungen der ausgeübten Tätigkeiten und der unterlagerten Bewegungen (z. B. Autofahren) erstellt werden kann. Hierfür ließe sich ein Dynamikrekorder beispielsweise in eine Uhr integrieren.
Ein weiteres Beispiel für eine Verwendung eins Dynamikrekorders ist die Analyse von Schreibbewegungen. Mit einer Analyse von Schreibbewegungen ließe sich beispielsweise Handschrift in Druckschrift umsetzten. Da Schreibbewegungen statische und dynamische Beschleunigungskomponenten beinhalten, kann auch für eine derartige Anwendung nur ein Beschleunigungssensor verwendet werden, welcher in der Lage ist, die beiden Einflussgrößen zu trennen. Ein Dynamikrekorder könnte z.B. im vorderen Bereich eines Kugelschreibers integriert sein.
In einer weiteren wichtigen Ausführungsform ist die Verwendung des Dynamikrekorders im Computerspielebereich vorgesehen. Auch für Computerspiele, bei welchen Bewegungen von Personen maßgeblich das Spiel bestimmen, kann durch die Trennung von statischer und dynamischer Beschleunigung der Bewegung eines Spielers diese Spielerbewegungen naturgetreu in das Spiel einbeziehen und damit völlig neuartige Spiele ermöglichen.
Bezugszeichenliste
1 Sensor
2 Sensor
3 Sensor
4 Sensor
5 Masseelement
6 Masseelement
7 Grundplatte
8 Abstützung
8.1 Stababstützung
9 Abstützung
9.1 Abschnitt der Abstützung 9
9.2 Abschnitt der Abstützung 9
10 Messpunkt
1 1 Horizontale
12 Sensor
13 Sensor
14 Sensor
G Gravitation
AW Ausgangssignal
PB parallel zur Grundplatte gerichtete Beschleunigung
VB vertikal zur Grundplatte gerichtete Beschleunigung
MBK Momentenbiegekomponente
SBK Schubbiegekomponente

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung, umfassend
- mindestens eine Grundplatte (7) und
- mindestens zwei Masseelemente (5, 6),
wobei jedes Masseelement (5, 6) über ein elastisches Abstützelement (8, 9) mit der mindestens einen Grundplatte (7) verbunden ist, und wobei die Abstützelemente (8, 9) in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens zwei Masse- (5, 6) und/oder Abstützelemente (8, 9) jeweils zumindest einen Messpunkt (10) aufweisen, und wobei
die Abstützelemente (8, 9) mindestens eines ersten (5) und mindestens eines zweiten Masseelements (6) derart ausgelegt sind, dass das Abstützelement
(8) des mindestens einen ersten Masseelements (5) und das Abstützelement
(9) des mindestens einen zweiten Masseelements (6) in den Messpunkten
(10) bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung mindestens zwei erste Abstützelemente (8) mit Masseelement (5) und mindestens ein zweites Abstützelemente (9) mit Masseelement (6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung mindestens zwei erste zweite Abstützelemente (8, 9) mit Masseelement (5, 6) umfasst.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung der Abstütz- (8, 9) und Masseelemente (5, 6) als
dreidimensionale Mikrostruktur in einem Trägermaterial ausgebildet ist, wobei als Trägermaterial vorzugsweise einkristallines Silizium (Si) oder Quarz oder Glas oder ein Lack gesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei mehreren Grundplatten (7) die Grundplatten (7) der in eine Messung einzubeziehenden Abstützelemente (8, 9) mit Masseelementen (5, 6) jeweils parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
für Messungen in einem Quadranten und bei vernachlässigbarer in die zweite Richtung wirkenden Komponente der Beschleunigung zwei Abstützelemente (8, 9) mit Masseelementen (5, 6), auf der mindestens einen Grundplatte (7) angeordnet, einsetzbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
für allgemeine Beschleunigungsmessungen in zwei Quadranten in einer oder parallelen Ebenen vier Abstützelemente (8, 9)mit Masseelementen (5, 6) auf angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils zwei Abstützelemente (8, 9) gleich ausgeführt aber
spiegelsymmetrisch auf der mindestens einen Grundplatte (7) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Abstützelemente (8) in mechanischer oder mikromechanischer Ausführung als Stab (8.1) oder als Streifen (8.1) realisiert sind, wobei bei einem Streifen (8.1) dieser in der Streifenebene elastisch verformbar ist und die zweiten Abstützelemente (9) durch einen abgewinkelten oder gebogenen Stab oder Streifen realisiert sind mit den Abschnitten (9.1 , 9.2). Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abschnitt (9.1) des Stabes oder Streifens der zweiten Abstützelemente (9) im Anfangsbereich von der Grundplatte (7) aus gesehen in der Form und der Verformbarkeit jeweils dem Stab oder Streifen (8.1) der ersten
Abstützelemente (8) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Abstützelement (8) und der Abschnitt (9.1) im Anfangsbereich des zweiten Abstützelements (9) mit der Grundplatte (7) einen Winkel (ß) einschließen, wobei der Winkel ß < 90 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der abgewinkelte Abschnitt (9.2) zum Abschnitt (9.1) im Anfangsbereich des zweiten Abstützelements (9) einen Winkel von 90° einschließt.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei mindestens drei Masse- (5, 6) und/oder Abstützelementen (8, 9), die auf mindestens einer Grundplatte (7) angeordnet sind, der Wnkel ß2 zwischen einem ersten Abstützelement (8.1) und der Grundplatte (7) positiv gerichtet ist, während ein zweites Abstützelement (8.1) um den Winkel ß3 negativ gegenüber der Grundplatte (7) geneigt ist und damit in eine andere Richtung als das erste Abstützelement (8.1) weist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abschnitt (9.1) im Anfangsbereich des zweiten Abstützelements (9) jeweils kürzer ist der abgewinkelte Abschnitt (9.2).
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dreidimensionale Mikrostruktur in einer Wanne des Trägermaterials ausgebildet ist, wobei Wannenwände eine Grundplatte (7) bilden. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die dreidimensionale Mikrostruktur in einem gemeinsamen Rahmen des Trägermaterials angeordnet ist oder für ein oder mehrere Abstützelementen (8, 9) mit Masseelement (5, 6) jeweils ein eigener Rahmen vorgesehen ist, wobei parallele Rahmenseiten eine Grundplatte (7) bilden.
17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dreidimensionale Mikrostruktur gekapselt ausgebildet ist, vorzugsweise vakuumierbar.
18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in das Trägermaterial neben den Abstützelementen (8, 9) mit Masseelement (5, 6) eine Elektronik zur Auswertung der Messergebnisse integriert ist.
19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstützelemente (8, 9) mit Masseelement (5, 6) für die Messung in einem und/oder mehreren Quadranten in Sensorblöcken (11) angeordnet sind.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche
- mindestens eine Grundplatte (7) und
- mindestens zwei Masseelemente (5, 6),
umfasst, und wobei jedes Masseelement (5, 6) über ein elastisches
Abstützelement (8, 9) mit der mindestens einen Grundplatte (7) verbunden ist, die Abstützelemente (8, 9) in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens zwei Masse- (5, 6) und/oder Abstützelemente (8, 9) jeweils zumindest einen Messpunkt (10) aufweisen, und wobei
die Abstützelemente (8, 9) mindestens eines ersten (5) und mindestens eines zweiten Masseelements (6) derart ausgelegt sind, dass das Abstützelement (8) des mindestens einen ersten Masseelements (5) und das Abstützelement (9) des mindestens einen zweiten Masseelements (6) in den Messpunkten
(10) bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen, und wobei die Auslenkung der Messpunkte (10) beschreibende Daten zumindest eines ersten (5, 8) und zumindest eines zweiten Masse- (6) und/oder
Abstützelements (9) erfasst,
durch Auswertung der erfassten Daten die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und
bei vernachlässigbarer in die zweite Richtung wirkenden Komponente das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste Richtung wirkenden Komponente genutzt wird und das um die in die erste Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste Richtung wirkende Komponente als dynamische Beschleunigung erfasst wird.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche
- mindestens eine Grundplatte (7) und
- mindestens drei Masseelemente (5, 6),
umfasst, und wobei jedes Masseelement (5, 6) über ein elastisches
Abstützelement (8, 9) mit der mindestens einen Grundplatte (7) verbunden ist, die Abstützelemente (8, 9) in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen auslenkbar sind und die mindestens drei Masse- (5, 6) und/oder Abstützelemente (8, 9) jeweils zumindest einen Messpunkt (10) aufweisen, und wobei
die Abstützelemente (8, 9) mindestens zweier erster (5) und mindestens eines zweiten Masseelements (6) derart ausgelegt sind, dass die Abstützelemente
(8) der mindestens zwei ersten Masseelemente (5) und das Abstützelement
(9) des mindestens einen zweiten Masseelements (6) in den Messpunkten
(10) bezüglich einer ersten, in einer ersten Richtung wirkenden Komponente einer in der gemeinsamen Ebene oder in den parallelen Ebenen wirkenden Beschleunigung dieselbe Reaktionscharakteristik und in einer senkecht zu der ersten Komponente wirkenden zweiten Komponente der Beschleunigung voneinander verschiedene Reaktionscharakteristiken aufweisen, und wobei die Auslenkung der Messpunkte (10) beschreibende Daten zumindest von zwei ersten (5, 8) und zumindest eines zweiten Masse- (6) und/oder
Abstützelements (9) erfasst,
durch Auswertung der von dem Masseelemente (5) eines ersten der mindestens zwei ersten (5, 8) und des zweiten Masse- (6) und/oder
Abstützelement (9) erfassten Daten und durch Auswertung der von dem Masseelemente (5) eines zweiten der mindestens zwei ersten (5, 8) und des zweiten Masse- (6) und/oder Abstützelement (9) erfassten Daten jeweils die in der ersten Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und durch Auswertung der beiden um die in die erste Richtung wirkende
Komponente bereinigten Ergebnisse die in die zweite Richtung wirkende Komponente eliminiert und
das um die in die zweite Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste und zweite Richtung wirkenden
Komponenten genutzt wird und das um die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten als dynamische Beschleunigung erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens zwei erste und zweite Masse- (5, 6) und Abstützelemente (8, 9) vorgesehen sind und
durch Auswertung der von dem Masseelemente (5) eines ersten der mindestens zwei ersten (5, 8) und eines ersten der mindestens zwei zweiten Masse- (6) und/oder Abstützelement (9) erfassten Daten und durch
Auswertung der von dem Masseelemente (5) eines zweiten der mindestens zwei ersten (5, 8) und eines zweiten der mindestens zweiten Masse- (6) und/oder Abstützelement (9) erfassten Daten jeweils die in der ersten
Richtung wirkende Komponente der Beschleunigung eliminiert und durch Auswertung der beiden um die in die erste Richtung wirkende
Komponente bereinigten Ergebnisse die in die zweite Richtung wirkende Komponente eliminiert und das um die in die zweite Richtung wirkende Komponente bereinigte Ergebnis zur Rückermittlung der in die erste und zweite Richtung wirkenden
Komponenten genutzt wird und das um die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten bereinigte Ergebnis als statische Beschleunigung und die in die erste und zweite Richtung wirkenden Komponenten als dynamische Beschleunigung erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel mindestens einer Grundplatte (7) bezüglich der statischen
Beschleunigung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Pegelanpassung erfolgt, derart, dass die Charakteristiken einer
Gravitationskennlinien nicht beeinflusst werden, die
Beschleunigungskomponenten jedoch eliminiert werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Nichtübereinstimmung der rückgerechneten Werte für die Vertikal- und die Längsbeschleunigung bei Sensoren durch Testalgorithmen eine iterative Annäherung zum Zwecke der Kalibrierung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bestimmung eines Bewegungsvorganges im X-Y-Z Koordinatensystem mindestens zwei Sensorblöcke eingesetzt werden, wobei deren
Sensorebenen unter einem Wnkel zueinander, vorzugsweise von 90°, stehen.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei mindestens ein Lageparameter zumindest von Teilen der Vorrichtung im Raum ermittelt wird.
Verwendung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lageermittlung eine Ermittlung einer Komponente der Beschleunigung umfasst, die durch die Gravitation hervorgerufen wird.
Verwendung nach Anspruch 27 oder 28,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verwendung eine Steuerung von Prozessen umfasst.
Verwendung nach einem der Ansprüche 27 bis 29,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verwendung zumindest einen der folgenden Vorgänge umfasst:
- Analyse allgemeiner Bewegungen von Körpern und
- Analyse einer Bewegung, um der Bewegung eine bestimmte Funktion zuzuordnen und/oder zum Vollzug einer gewollten Bewegung durch technische Mittel in einem Regelkreis.
Verwendung nach einem der Ansprüche 27 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verwendung eine Erfassung einer Positionsänderung eines Objekts umfasst.
Verwendung nach Anspruch 31 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verwendung eine Schräglagedetektion eines Objekts umfasst.
Verwendung nach einem der Ansprüche 27 bis 32,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verwendung eine Lagestabilisierung eines Objekts umfasst.
Verwendung nach einem der Ansprüche 27 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verwendung eine Analyse von Schreibbewegungen umfasst.
Computerprogramm, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26 durchzuführen. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Beschleunigung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26 durchzuführen.
Computerprogramm, das eine zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung, nachdem das Computerprogramm in Speichermittel der Vorrichtung geladen worden ist, so konfiguriert, dass die Vorrichtung für eine Verwendung gemäß einem der Ansprüche 27 bis 34 nutzbar ist.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das eine zur getrennten Erfassung einer statischen und einer dynamischen Beschleunigung geeigneten Vorrichtung, nachdem das Computerprogramm in Speichermittel der Vorrichtung geladen worden ist, so konfiguriert, dass die Vorrichtung für eine Verwendung gemäß einem der Ansprüche 27 bis 34 nutzbar ist.
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